В начале были дыры

В новом номере журнала Nature опубликована статья Стелиоса Казантцидиса из Университета штата Огайо и его коллег, в которой рассказывается о компьютерном моделировании эволюции галактик и черных дыр в начале жизни Вселенной, в первые несколько миллиардов лет.

Считается, что возраст нашей Вселенной составляет чуть менее 14 млрд лет. Недавние работы показывали, что большие галактики образовывались гораздо раньше, чем считалось до этого, а именно в течение первого миллиарда лет жизни Вселенной. Моделирование Казантцидиса и коллег показывает, что, видимо, первые в истории сверхмассивные черные дыры, скорее всего, образовались тогда, когда эти ранние большие галактики начали сталкиваться и сливаться друг с другом. «Наши результаты добавляют новую важную веху в понимание того, как во Вселенной образуются разные структуры», – говорит Казантцидис.

На протяжении более двух десятков лет среди астрономов преобладало представление об иерархической эволюции галактик. То есть за счет гравитации маленькие «куски» вещества образовали первые галактики, которые были малых размеров, их совокупность дала более крупные галактики. Так постепенно и были сформированы большие галактики.

Но результаты моделирования Казантцидиса показывают, что в действительности все было не так.

«Наш результат показывает, что такие большие структуры, как галактики и сверхмассивные черные дыры, в нашей Вселенной были образованы достаточно рано, – говорит ведущий автор работы. – Парадокс разрешается, если считать, что иерархически растет не видимое вещество, которое мы наблюдаем в галактиках, а темная материя. Сверхмассивные черные дыры коллапсируют более эффективно, и это было верно и тогда, когда наша Вселенная была очень молода, что привело к антииерархическому образованию галактик и черных дыр».

Поскольку наша галактика Млечный Путь является относительно небольшой по сравнению с другими, то она была образована не сразу после рождения Вселенной, а формировалась более медленно.

Первыми же появились крупные галактики со сверхмассивной черной дырой в центре, и одной из них, по мнению ученых, является галактика M87, крупный представитель ближайшего к Млечному Пути скоплению галактик Virgo (на верхнем фото). Ее масса превышает Млечный Путь примерно в 100 раз.

Свое моделирование ученые начали с описания двух гигантских галактик, состоящих из тех видов звезд, которые были в начале эволюции Вселенной и которые, вероятно, были гораздо более массивными, чем современные звезды (более чем в 300 раз больше нашего Солнца). После этого астрономы провели моделирование столкновения и слияния галактик. В этих процессах ученые выделили два важных момента. Первый заключается в том, что газ и пыль, сконцентрированные в центре галактики, привели к формированию плотного ядерного диска. Второй момент состоит в том, что затем этот ядерный диск стал неустойчивым, пыль и газ сжались в отдельные облака и в итоге совместными усилиями «породили» сверхмассивную черную дыру.

Результаты этого моделирования могут иметь далеко идущие последствия для космологии.

«Например, стандартную идею о том, что свойства галактики и массы центральной черной дыры связаны между собой, придется пересмотреть. В нашей модели черная дыра растет гораздо быстрее, чем галактика», – говорит Казантцидис.

Ученые надеются, что их моделирование поможет астрономам, которые занимаются поиском прямых доказательств существования гравитационных волн, предсказанных общей теорией относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, любое «древнее» слияние галактик привело бы к образованию мощных гравитационных волн, которые представляют собой «рябь» в пространственно-временном континууме, остатки которой должны наблюдаться и в наше время. Но пока существующие в настоящее время детекторы гравитационных волн не дали положительного результата наблюдений. Возможно, компьютерное моделирование образования сверхмассивных черных дыр, подобное тому, о котором рассказано в Nature, даст ключ к обнаружению гравитационных волн.