Прямой коллапс черной дыры - Direct collapse black hole

Впечатление художника о формировании массивного семени черной дыры через прямой канал черной дыры.[1]

Черные дыры с прямым коллапсом семена черной дыры большой массы,[2][3][4][5] предположительно сформированный в красное смещение классифицировать ,[6] когда Вселенная было около 100–250 миллионов лет. В отличие от семян, сформированных из первой популяции звезды (также известный как Population III звезды ), семена черных дыр прямого коллапса образуются прямым, общерелятивистский нестабильность. Они очень массивные, с характерной массой при образовании ~ 105 M☉.[3][7] Эта категория семян черных дыр была первоначально предложена теоретически, чтобы облегчить задачу строительства. сверхмассивные черные дыры уже на красном смещении , что подтверждают многочисленные наблюдения на сегодняшний день. [1][8][9][10][11]

Формирование

Черные дыры с прямым коллапсом (DCBH) - это массивные зародыши черных дыр, которые, согласно теории, образовались во Вселенной с большим красным смещением и имеют типичные массы при образовании ~ 105 M☉, но в диапазоне от 104 M☉ и 106 M☉. Физические условия окружающей среды для формирования DCBH (в отличие от кластера звезды ) следующие:[3][4]

  1. Без металла газ (газ, содержащий только водород и гелий ).
  2. Атомно-охлаждающий газ.
  3. Достаточно большой поток Фотоны Лаймана-Вернера, чтобы разрушить молекулы водорода, которые являются очень эффективными хладагентами газа.[12][13]

Предыдущие условия необходимы, чтобы избежать охлаждения газа и, следовательно, фрагментации первичного газового облака. Не имея возможности дробиться и образовывать звезды, газовое облако подвергается гравитационному коллапсу всей структуры, достигая чрезвычайно больших значений плотности вещества в ядре, порядка .[14] При этой плотности объект испытывает общую релятивистскую неустойчивость,[14] что приводит к образованию черной дыры с типичной массой ~ 105 M☉, и до 1 миллиона солнечные массы. Возникновение общей релятивистской неустойчивости, а также отсутствие промежуточной фазы звезды привело к названию прямой коллапс черная дыра. Другими словами, эти объекты коллапсируют непосредственно из первичного газового облака, а не из звездного прародителя, как предписывается в стандартных моделях черных дыр.[15]

Демография

Черные дыры с прямым коллапсом обычно считаются чрезвычайно редкими объектами во Вселенной с большим красным смещением, потому что три фундаментальных условия их образования (см. Выше в разделе Формирование) сложно выполнить все вместе в одном и том же газовом облаке.[16][17] Текущее космологическое моделирование предполагает, что DCBH могут быть столь же редкими, как только ~ 1 на кубический гигабайт.парсек при красном смещении 15.[17] Прогноз их плотности во многом зависит от минимального потока фотонов Лаймана-Вернера, необходимого для их образования.[18] и может достигать DCBH на кубический Гигапарсек в самых оптимистичных сценариях.[17]

Обнаружение

В 2016 году команда под руководством Гарвардский университет астрофизик Фабио Пакуччи идентифицировал первых двух кандидатов в черные дыры прямого коллапса,[19][20] используя данные из Космический телескоп Хаббла и Рентгеновская обсерватория Чандра.[21][22][23][24] Два кандидата, оба на красном смещении , были найдены в СВЕЧИ ТОВАР-С поле и соответствовали спектральным свойствам, предсказанным для этого типа астрофизических источников.[25] В частности, в этих источниках прогнозируется значительное превышение инфракрасный радиации по сравнению с другими категориями источников на большом красном смещении.[19] Дополнительные наблюдения, в частности, по предстоящим Космический телескоп Джеймса Уэбба, будет иметь решающее значение для исследования свойств этих источников и подтверждения их природы.[26]

Рекомендации

  1. ^ а б "Пресс-центр Chandra :: Телескопы НАСА нашли ключ к разгадке того, как гигантские черные дыры образовались так быстро :: 24 16 мая". chandra.si.edu. Получено 2020-08-27.
  2. ^ Лоеб, Авраам; Расио, Фредерик А. (1 сентября 1994 г.). «Коллапс первичных газовых облаков и образование квазарных черных дыр». Астрофизический журнал. 432: 52–61. arXiv:Astro-ph / 9401026. Bibcode:1994ApJ ... 432 ... 52L. Дои:10.1086/174548. S2CID  17042784.
  3. ^ а б c Бромм, Фолькер; Лоеб, Авраам (01.10.2003). «Образование первых сверхмассивных черных дыр». Астрофизический журнал. 596 (1): 34–46. arXiv:astro-ph / 0212400. Bibcode:2003ApJ ... 596 ... 34B. Дои:10.1086/377529. S2CID  14419385.
  4. ^ а б Лодато, Джузеппе; Натараджан, Приямвада (01.10.2006). «Образование сверхмассивной черной дыры при сборке догалактических дисков». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 371 (4): 1813–1823. arXiv:astro-ph / 0606159. Bibcode:2006МНРАС.371.1813Л. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2006.10801.x. S2CID  13448595.
  5. ^ Сигел, Итан. "'Черные дыры прямого коллапса могут объяснить загадочные квазары нашей Вселенной ». Forbes. Получено 2020-08-27.
  6. ^ Юэ, Бин; Феррара, Андреа; Сальватерра, Рубен; Сюй, Идун; Чен, Сюэлей (2014-05-01). «Краткая эра образования черных дыр с прямым коллапсом». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 440 (2): 1263–1273. arXiv:1402.5675. Bibcode:2014МНРАС.440.1263Г. Дои:10.1093 / mnras / stu351. S2CID  119275449.
  7. ^ Рис, Мартин Дж .; Волонтери, Марта (01.04.2007). «Массивные черные дыры: формирование и эволюция». Черные дыры от звезд до галактик - во всем диапазоне масс. 238: 51–58. arXiv:Astro-ph / 0701512. Bibcode:2007IAUS..238 ... 51R. Дои:10.1017 / S1743921307004681. S2CID  14844338.
  8. ^ Банядос, Эдуардо; Venemans, Bram P .; Маццучелли, Кьяра; Farina, Emanuele P .; Уолтер, Фабиан; Ван, Файги; Декарли, Роберто; Стерн, Дэниел; Фань, Сяохуэй; Дэвис, Фредерик Б .; Хеннави, Джозеф Ф. (1 января 2018 г.). «Черная дыра с массой 800 миллионов солнечных в существенно нейтральной Вселенной при красном смещении 7,5». Природа. 553 (7689): 473–476. arXiv:1712.01860. Bibcode:2018Натура.553..473B. Дои:10.1038 / природа25180. PMID  29211709. S2CID  205263326.
  9. ^ Фань, Сяохуэй; Нараянан, Виджай К .; Луптон, Роберт Х .; Штраус, Майкл А .; Кнапп, Джиллиан Р .; Беккер, Роберт Х .; Белый, Ричард Л .; Пентериччи, Лаура; Leggett, S.K .; Хайман, Золтан; Ганн, Джеймс Э. (2001-12-01). "Обзор квазаров с z> 5,8 в обзоре неба Sloan Digital. I. Открытие трех новых квазаров и пространственная плотность светящихся квазаров на z ~ 6". Астрономический журнал. 122 (6): 2833–2849. arXiv:astro-ph / 0108063. Bibcode:2001AJ .... 122.2833F. Дои:10.1086/324111. S2CID  119339804.
  10. ^ Ян, Цзинььи; Ван, Файги; Фань, Сяохуэй; Хеннави, Джозеф Ф .; Дэвис, Фредерик Б .; Юэ, Минхао; Банадос, Эдуардо; У Сюэ-Бин; Венеманс, Брэм; Барт, Аарон Дж .; Биан, Фуянь (01.07.2020). "Пониуаэна: светящийся квазар z = 7,5, вмещающий черную дыру с солнечной массой 1,5 млрд.". Письма в астрофизический журнал. 897: L14. arXiv:2006.13452. Bibcode:2020ApJ ... 897L..14Y. Дои:10.3847 / 2041-8213 / ab9c26. S2CID  220042206.
  11. ^ "Черная дыра чудовищ найдена в ранней Вселенной". Обсерватория Близнецов. 2020-06-24. Получено 2020-09-06.
  12. ^ Риган, Джон А .; Йоханссон, Питер Х .; Мудрый, Джон Х. (01.11.2014). "Прямой коллапс массивного семени черной дыры под действием анизотропного источника Лаймана-Вернера". Астрофизический журнал. 795 (2): 137. arXiv:1407.4472. Bibcode:2014ApJ ... 795..137R. Дои:10.1088 / 0004-637X / 795/2/137. S2CID  119119172.
  13. ^ Сугимура, Казуюки; Омукай, Казуюки; Иноуэ, Акио К. (01.11.2014). «Критическая интенсивность излучения при прямом коллапсе образования черной дыры: зависимость от формы спектра излучения». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 445 (1): 544–553. arXiv:1407.4039. Bibcode:2014МНРАС.445..544С. Дои:10.1093 / mnras / stu1778. S2CID  119257740.
  14. ^ а б Монтеро, Педро Дж .; Янка, Ханс-Томас; Мюллер, Эвальд (01.04.2012). «Релятивистский коллапс и взрыв вращающихся сверхмассивных звезд с термоядерными эффектами». Астрофизический журнал. 749 (1): 37. arXiv:1108.3090. Bibcode:2012ApJ ... 749 ... 37M. Дои:10.1088 / 0004-637X / 749/1/37. S2CID  119098587.
  15. ^ Натараджан, Приямвада. «Загадка первых черных дыр». Scientific American.
  16. ^ Агарвал, Бхаскар; Далла Веккья, Клаудио; Johnson, Jarrett L .; Хочфар, Садех; Паардекупер, Ян-Питер (01.09.2014). «Проект« Первый миллиард лет »: места рождения черных дыр с прямым коллапсом». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 443 (1): 648–657. arXiv:1403.5267. Bibcode:2014МНРАС.443..648А. Дои:10.1093 / mnras / stu1112. S2CID  119278181.
  17. ^ а б c Хабузит, Мелани; Волонтери, Марта; Латиф, Мухаммад; Дюбуа, Йохан; Пейрани, Себастьен (01.11.2016). «О численности семян« прямого коллапса »черной дыры». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 463 (1): 529–540. arXiv:1601.00557. Bibcode:2016МНРАС.463..529Н. Дои:10.1093 / mnras / stw1924. S2CID  118409029.
  18. ^ Латиф, М. А .; Бовино, С .; Грасси, Т .; Schleicher, D. R. G .; Спаанс, М. (01.01.2015). «Как реалистичные УФ-спектры и рентгеновские лучи подавляют множество черных дыр с прямым коллапсом». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 446 (3): 3163–3177. arXiv:1408.3061. Bibcode:2015МНРАС.446.3163Л. Дои:10.1093 / mnras / stu2244. S2CID  119219917.
  19. ^ а б Пакуччи, Фабио; Феррара, Андреа; Грациан, Андреа; Фиоре, Фабрицио; Джаллонго, Эмануэле; Пуччетти, Симонетта (01.06.2016). «Первое отождествление кандидатов в черные дыры с прямым коллапсом в ранней Вселенной в CANDELS / GOODS-S». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 459 (2): 1432–1439. arXiv:1603.08522. Bibcode:2016МНРАС.459.1432П. Дои:10.1093 / mnras / stw725. S2CID  118578313.
  20. ^ «Первые кандидаты в черную дыру с прямым коллапсом». Фабио Пакуччи. Получено 2020-09-29.
  21. ^ Нортон, Карен (24 мая 2016 г.). «Телескопы НАСА находят ключи к разгадке того, как так быстро образовались гигантские черные дыры». НАСА. Получено 2020-09-28.
  22. ^ «Тайна сверхмассивных черных дыр может быть раскрыта». www.cbsnews.com. Получено 2020-09-28.
  23. ^ Новости, А. Б. С. «Тайна массивных черных дыр может быть раскрыта телескопами НАСА». ABC News. Получено 2020-09-28.
  24. ^ Рейнольдс, Эмили (25 мая 2016 г.). «Хаббл обнаруживает ключи к разгадке того, как образуются сверхмассивные черные дыры». Проводная Великобритания. ISSN  1357-0978. Получено 2020-09-28.
  25. ^ Пакуччи, Фабио; Феррара, Андреа; Волонтери, Марта; Дубюс, Гийом (01.12.2015). «Сияние в темноте: спектральная эволюция первых черных дыр». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 454 (4): 3771–3777. arXiv:1506.05299. Bibcode:2015МНРАС.454.3771П. Дои:10.1093 / мнрас / stv2196. S2CID  119187129.
  26. ^ Натараджан, Приямвада; Пакуччи, Фабио; Феррара, Андреа; Агарвал, Бхаскар; Рикарте, Анджело; Закриссон, Эрик; Каппеллути, Нико (2017-04-01). «Открытие первых черных дыр с помощью JWST: мультиволновые спектральные предсказания». Астрофизический журнал. 838 (2): 117. arXiv:1610.05312. Bibcode:2017ApJ ... 838..117N. Дои:10.3847 / 1538-4357 / aa6330. S2CID  88502812.