"Галактическая сага". Часть 3. Сверхмассивные звезды в протогалактиках

Часть 2. http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/06/2.html

    Сверхновая, взорвавшая галактику

    «Сверхновый сценарий образования сверхмассивных чёрных дыр убеждает нас в том, что для их рождения требуется смерть сверхмассивных сверхновых особо высокой мощности — ныне исчезнувшего типа звёзд, породивших самые несусветные взрывы в истории Вселенной.

    Сегодня чёрные дыры рождаются при коллапсе очень массивных звёзд, когда часть их сжимается до сверхплотного состояния. Однако такие чёрные дыры не могут быть тяжелее десяти солнц, и это отделяет чёрные дыры звёздных масс от остальных. А вот в центрах галактик присутствуют совершенно иные представители таких тел - диаметром с орбиту Нептуна вокруг Солнца и с плотностью не в миллион раз больше осмия, а меньше, чем у воды или даже воздуха. Все эти черты возможны благодаря невероятной массе - от нескольких миллионов (Стрелец А*, наша Галактика) до пары десятков миллиардов солнечных.

Если группа г-на Уэйлена права, то звёзды населения III были тяжелее нынешних не в сотни, а в сотни тысяч раз. (Здесь и ниже иллюстрация NASA, WMAP team)

    Как возникли такие объекты? Поначалу были попытки объяснить их рост столкновениями протогалактик и в последующем собственно галактик: чёрные дыры звёздных масс сливались между собой при каждой коллизии, попутно поглощая газ и пыль. Сей гипотетический сценарий был хорош всем, пока не выяснилось, что некоторые галактики уже через пару миллиардов лет после Большого взрыва имели сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) вполне современных размеров, массой до миллиардов солнечных. Объяснить их существование много труднее. Проще постулировать что-то вроде коллапса крупных массивных газопылевых облаков в чёрные дыры. Правда, при всеобяъснительной универсальности этому подходу не хватало такой сущей мелочи, как детализации того, как именно такие облака могли, минуя звёздную стадию, коллапсировать в чёрные дыры.

    Предложено довольно много отличающихся в деталях «раскадровок» подобных событий. Дэниэл Уэйлен (Daniel Whalen) из Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) вместе с коллегами приписывает существенную часть процесса, который начался в ранней Вселенной, последствиям первичного звездообразования. Когда атомарный водород первых газопылевых облаков охладился в достаточной степени, чтобы образовать водород молекулярный, охлаждение облаков пошло значительно быстрее, и гравитационные силы позволили им наращивать плотность вплоть до начала коллапса вещества и формирования протозвёзд.

    Отдельные первые протогалактики оказались менее удачливыми и не такими быстрыми: когда рядом с ними молодые звёзды испускали мощное УФ-излучение, последнее лишало протогалактических соседей молекулярного водорода. А без него охлаждение газа в таких аутсайдерах затруднялось ещё сильнее; по сути, шёл обратный процесс дальнейшего их нагрева, вплоть до 10 000 К. Само собой, этот раскаляемый атомарный газ не мог коллапсировать и формировать звёзды: опоздавшие лишались возможности генерировать звёзды даже тогда, когда накапливали газа до 100 млн масс Солнца.
    При достижении этого уровня такие образования начинали притягивать газ из межгалактического пространства (тогда существенно более насыщенного материей) столь интенсивно, что он разогревался и в столкновениях с «местным» газом заставлял его электроны подниматься на более высокий энергетический уровень. Чтобы «опуститься назад», атомы водорода испускали фотоны, уносившие прочь избыточную энергию, оставшуюся от столкновений. Как видим, газ протогалактик-аутсайдеров наконец-то нашёл способ охлаждения: достигнув значительной массы, он получил механизм вывода энергии вовне.
    На этом месте у сторонников описанного сценария начинаются лёгкие разногласия. Одни говорят, что за несколько миллионов лет охлаждения газ сливался в шары массой до 100 000-1 000 000 солнечных, которые уже могли коллапсировать в единый объект, так сказать, СМЧД в молодости. Однако моделирование г-на Уэйлена показывает, что большинство таких шаров газа коллапсирует в объекты лишь в десятки тысяч раз тяжелее Солнца. Оно, конечно, впечатляет, но что здесь такого сверхмассивного? И как некоторые такие штуки за менее чем два миллиарда лет добрались до миллиардов солнечных масс? Вопросы, вопросы...
    Есть надежда на объяснение и этой сложности, замечает исследователь. Часто его модель показывает, что газовые шары вместо СМЧД образовывали сверхмассивные звёзды, которые проводили свою очень короткую жизнь буквально на грани стабильности. Насколько именно «сверхмассивные»? Группа г-на Уэйлена считает, что в отсутствие значимых количеств элементов тяжелее гелия, играющих важную роль в подстёгивании термоядерных реакций, такие звёзды населения III могли достигать массы в 10 000–1 000 000 солнечных. На первый взгляд, кажется, что где-то здесь опечатка: звезда массой в миллион масс Солнца? Как хорошо знает читатель, другие оценки звёзд населения III ограничивали их возможную массу жалкими сотнями солнц. Пожалуй, постулирование самóй возможности существования звёзд такой массы можно назвать самым смелым аспектом рассматриваемого сценария.
    «Если эти звёзды действительно образовывались, они могли [впоследствии] взрываться как очень мощные сверхновые, - полагает учёный. - Это было бы самым мощным взрывом во Вселенной». Что важно, остатки такой сверхновой после взрыва не могли слишком далеко разлететься в силу тяготения тёмной материи протогалактики, и, следовательно, основная их часть должна была коллапсировать в чёрную дыру. «И всё, привет, у вас есть чёрные дыры массой от 10 000 до 1 000 000 солнечных! - считает Дэниэл Уэйлен. - Это и есть «семена» тех сверхмассивных дыр, которые появились позднее».
    Моделирования показало, что всего через два-три десятка миллионов лет после взрыва гравитация… притягивала разлетевшиеся на 600 парсек остатки сверхновой населения III обратно, стимулируя образование СМЧД. Все эти движения туда-сюда обогащали значительную часть протогалактики, задетую разлётом продуктов взрыва сверхновой, наработанными в её недрах тяжёлыми элементами, которые провоцировали более лёгкое формирование последующих светил в протогалактиках. По расчётам учёных, такие галактики должны были генерировать звёзды даже быстрее тех протогалактик, что образовали звёзды первыми, а затем вынудили «отставших» соседей долго-долго быть бесплодными массами газа.

По этой модели, взрывы сверхмассивных сверхновых в центрах соответствующих протогалактик оставляли вокруг себя пространство, обогащённое веществами тяжелее гелия, что стимулировало формирование сразу множества новых светил. Сами же остатки сверхновых образовывали молодые СМЧД - прямых предшественников нынешних монстров галактических масштабов

    Рождение таких первых СМЧД должно было стронуть процесс активнейшего звездообразования в остающемся газопылевом хаосе вокруг первых чёрных дыр - «семян» новых галактик. Тут, возможно, и наступает момент истины для астрономов: если события случались именно в описанной последовательности, то взрывы сверхмассивных сверхновых и последующие всплески звездообразования могут быть идентифицированы по специфическому излучению. И хотя пока чувствительности земных и околоземных телескопов для обнаружения таких событий не хватает, ввод в строй будущих наблюдательных средств, таких как телескоп «Джеймс Уэбб», вполне способен подтвердить или опровергнуть столь экстравагантную теорию формирования первых СМЧД и галактик стандартных типов.

    Отчёт об исследовании принят к публикации в Astrophysical Journal, а с его препринтом можно ознакомиться здесь. Подготовлено по материалам NewScientist». («Если звёзды взрываются, значит, это кому-нибудь нужно».10 июня 2013 года, 13:59).

    Astrophile: The supernova that blew up a galaxy

    «Astrophile is our weekly column on curious cosmic objects, from the solar system to the far reaches of the multiverse

    Object: Moody little galaxy
    Fate: The most energetic explosion in the universe 

    Darkness was all the young galaxy had ever known. For a time it ran with a hot-headed crowd, skulking around the early universe gathering up gas and dark matter. Then things started to change. The other galaxies cooled off and settled down, giving birth to glittering stars that blew away the fog and the gloom.

    But try as it might, the moody galaxy couldn't shake the darkness in its core. It seethed in the glow of its former friends, growing hotter and hotter – until one day, it exploded.

    Such brooding protogalaxies may explain how supermassive black holes were created in the early universe, where they seeded the mature galaxies we see today. If the idea holds true, we should be able to see the unusual explosions with the next generation of telescopes.

    Black holes are born when very massive stars explode and collapse into ultra-dense remnants. Stellar black holes can be up to about 10 times the mass of the sun. But we also see supermassive black holes millions to billions of times the mass of the sun at the cores of most mature galaxies.

    Astronomers think that black holes grow by merging with other black holes. When two galaxies collide, their central black holes pool in the middle, making a new galaxy with an even weightier black hole at its core. However, some galaxies managed to host unusually massive black holes just a few hundred million years after the big bang. That's not enough time for growth via mergers, leaving astronomers with a supermassive riddle.

    Stripped of coolant

    One possibility is that most of the mass in some protogalaxies collapsed into monster black holes, which could then merge to give rise to the earliest supermassive versions at the hearts of galaxies, says Daniel Whalen of the Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Most early galaxies started out as clouds of atomic hydrogen that were too hot to form stars. They eventually cooled down and began forming molecular hydrogen, which helped them chill even faster. In these galaxies, dense packets of cool gas were able to collapse and ignite new stars.

    However, some nearby protogalaxies were then bathed in strong ultraviolet radiation generated by the newborn stars, and this stripped away their molecular hydrogen. Without any coolant, these protogalaxies couldn't make stars and began to heat up instead. "The gas just gets hotter and hotter and can't collapse any further," says Whalen. He and colleagues ran computer simulations that show hot protogalaxies can grow to be 100 million times the mass of the sun without forming a single star.

    When a protogalaxy reaches that mass, gas falling in from intergalactic space gets so hot that the hydrogen atoms collide violently, moving their electrons from their lowest energy levels to the next highest rungs on the atomic energy ladder. When these electrons return to their original state, they emit a photon that carries energy away. In other words, the protogalaxy's gas finally has a way to cool down.

    Galactic seeds

    The models show that the protogalaxy cools so quickly that within a few million years, its gas coalesces to form a single ball of gas 100,000 to a million times the mass of the sun.

    In a separate study, researchers from the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics in Garching, Germany, suggested that such huge clouds of gas in the early universe might collapse directly into obese black holes millions of times the mass of the sun.

    But Whalen's simulations showed that most of the time these balls collapse into black holes only a few tens of thousands of times the mass of the sun – impressive, but hardly supermassive. In some cases, his model shows the gas will form a supermassive star that spends its short life perched at the edge of stability. "If these stars do form, they can blow up as very energetic supernova," says Whalen. "It will be the most energetic explosion in the universe." The remnants of such a supernova would then fall back under the gravitational grip of the galaxy's dark matter. Most of it would collapse to form a black hole.

    "And voila, you have a black hole with masses anywhere from 10,000 to a million solar masses," says Whalen. "They're the seeds of the supermassive black holes we see later."

    The black hole's birth would also trigger a burst of star formation in the remaining galactic debris – the seeds of a new galaxy. The team's simulations suggest that the supermassive supernovae, and the subsequent starbursts, will have unique radiation signatures that future observatories, such as the James Webb Space Telescope, should be able to spot.

Supermassive black holes lurk inside mature galaxies, but their presence in the very early universe has been tricky to explain (Image: Image: NASA, ESA, NRAO and L. Frattare (STScI); Science: NASA/CXC/IoA/A.Fabian et al.; Radio: NRAO/VLA/G. Taylor; Optical: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Fabian (Institute of Astronomy, University of Cambridge, UK)

    Journal reference: arxiv.org/abs/1305.6966, submitted to The Astrophysical Journal». (07 June 2013, 17:14). http://www.newscientist.com/article/dn23671-astrophile-the-supernova-that-blew-up-a-galaxy.html

«Гигантская черная дыра» («Monster Black Hole») 

    [Федор Дергачев:

    Не скажу, что приведенная статья дала убедительные ответы по заявленной теме.

    Я поместил ее в блоге скорее потому, что она ставит (или, может быть, обозначает) принципиальные вопросы.   

    Например:

    «Некоторые галактики уже через пару миллиардов лет после Большого взрыва имели сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) вполне современных размеров, массой до миллиардов солнечных».

    Это возвращает нас к проблеме: откуда берутся сверхмассивные черные дыры такой гигантской массы? Считалось, что «непосильным трудом» они накопили ее в течение гигантского срока – 13 миллиардов лет. И вот, оказывается, что такую массу они имели уже в ранней Вселенной. Спасибо автору за попытку ответить, но получилось не очень убедительно. Так что проблема остается, и вряд ли будет решена в рамках общепринятой космологической концепции

    Меня также заинтересовала принципиальное различие между физикой черных дыр звездных масс и сверхмассивных черных дыр:

    «Сегодня чёрные дыры рождаются при коллапсе очень массивных звёзд, когда часть их сжимается до сверхплотного состояния. Однако такие чёрные дыры не могут быть тяжелее десяти солнц, и это отделяет чёрные дыры звёздных масс от остальных. А вот в центрах галактик присутствуют совершенно иные представители таких тел - диаметром с орбиту Нептуна вокруг Солнца и с плотностью не в миллион раз больше осмия, а меньше, чем у воды или даже воздуха».

    Это нестандартная постановка вопроса. Получается, что эти два вида объектов отличаются не только происхождением, но и физическими свойствами. А, может быть, есть еще и другие различия, о которых ученые договорились не упоминать?

    Считаю, что в План дальнейших исследований «новой сущности» надо внести дополнительные пункты, касающиеся как происхождения и физики сверхмассивных черных дыр, так и загадок эволюции ранней Вселенной.]

    [Последние изменения внесены 20 января 2014 года]

    «Галактическая сага». Часть 4. «Формирование ядра Млечного пути». http://artefact-2007.blogspot.ru/2013/12/4.html