Сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) могут быть чрезвычайно неряшливыми «пожирателями». Когда звезда подходит слишком близко, огромная приливная сила СМЧД может не только втянуть звезду внутрь, но и растянуть её, разорвав на части, прежде чем поглотить. И это полезно для астрофизиков, поскольку так СМЧД легче обнаружить.
Когда СМЧД разрывает звезду на части, это называется событием приливного разрушения (СПР). Оторванный от звезды звёздный материал собирается в аккреционное кольцо вокруг чёрной дыры, нагревается и становится чрезвычайно ярким, иногда на несколько недель затмевая по яркости всю галактику, в которой находится СМЧД. Такое вспыхивание сигнализирует астрономам о наличии СМЧД и позволяет обнаружить чёрную дыру, которая в противном случае осталась бы невидимой.
И это не просто развлечение. Учёным, стремящимся понять, как СМЧД достигают таких огромных масс, нужны данные — и притом в огромных объёмах. Причём не только о СМЧД в локальной Вселенной, но и на протяжении всего космического времени. В новой статье, опубликованной в журнале «The Astrophysical Journal», даны прогнозы относительно того, сколько СПР удастся обнаружить некоторым из наших самых мощных телескопов.
Исследование озаглавлено «Частота событий приливного разрушения на протяжении космического времени: прогнозы для LSST, „Роман“ и “Уэбба” и их ограничения на функцию масс СМЧД». Ведущим автором является Митчелл Кармен, аспирант Университета Джонса Хопкинса.
«Измерение распределения масс СМЧД на протяжении космического времени остаётся особенно сложной задачей для популяции чёрных дыр с малой массой при z > 1», — пишут Кармен и его соавторы. «Эта популяция также наиболее чувствительна к моделям зарождения и раннего роста СМЧД».
СПР происходят у СМЧД, находящихся в нижнем диапазоне масс — от примерно 100 тысяч до 100 миллионов масс Солнца или менее, в то время как более массивные СМЧД поглощают звёзды за один присест. СПР — один из немногих способов обнаружения СМЧД в этом диапазоне масс. «СПР — явления, характерные исключительно для этих СМЧД с меньшей массой», — пишут авторы.
Проблема заключается в том, что астрофизикам необходимо обнаружить больше таких событий при более высоких красных смещениях, чтобы понять, как растут СМЧД. В частности, СПР могут раскрыть популяцию этих СМЧД с меньшей массой на разных этапах жизни Вселенной. В этом поможет будущий космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на это лето.
Одним из основных направлений работы космического телескопа «Роман» является проект «Обзор в временной области в высоких широтах» (HLTDS). В рамках этого проекта будет осуществляться регулярное и многократное наблюдение одного и того же участка неба. Это проверенный и надёжный метод обнаружения астрономических переходных явлений, таких как СПР.
Частота СПР должна изменяться в течение космического времени, поскольку массы СМЧД менялись с течением времени. Предыдущие исследования показывают, что количество СПР должно быть меньше на больших расстояниях, когда СМЧД не были достаточно массивными, чтобы вызывать СПР. В данной работе исследователи более глубоко изучили этот вопрос. Они построили новую модель СМЧД и СПР, включающую факторы, изменяющиеся во времени.
«В данной работе мы построили полуэмпирическую модель эволюции частоты СПР в зависимости от красного смещения при различных допущениях относительно функции масс СЧМ и показали, что наблюдаемая зависимость частоты СПР от красного смещения очень чувствительна к функции масс СЧМ и её эволюции с красным смещением», — поясняют исследователи. Они также учли факторы, изменяющиеся с красным смещением, такие как увеличение плотности звёзд в ядрах галактик, более высокая частота слияний галактик, затухание из-за пыли и другие факторы. Затем они количественно оценили, как все эти факторы повлияют на частоту СПР.
На основе своей модели исследователи спрогнозировали, сколько СПР, вероятно, сможет обнаружить телескоп «Роман». То же самое они сделали для проекта «Legacy Survey of Space and Time» (LSST) обсерватории имени Веры Рубин, а также для телескопа «Уэбб» и его обзора COSMOS-Web.
«Мы обнаружили, что учёт этих эффектов в целом приводит к тому, что объёмная частота СПР растёт с красным смещением до достижения максимума вблизи „космического полудня“, а затем снижается при более высоких красных смещениях, где СМЧД, способные разрушать звёзды, становятся всё более редкими», — пишут они. Таким образом, чем дальше в прошлое будет заглядывать «Роман», тем больше СПР будет обнаружено, причём пик их числа придётся на «космический полдень» [период в истории Вселенной, наступивший через 2–3 миллиарда лет после Большого взрыва, когда происходило активное звездообразование и рост чёрных дыр / прим. перев.].
Авторы отмечают, что проект LSST «Рубин» будет обнаруживать десятки тысяч СПР каждый год в течение десятилетия наблюдений. Это впечатляет, но LSST ограничен в том, насколько далеко в прошлое он может заглянуть. «Роман» — это инфракрасный космический телескоп, способный наблюдать свет древней Вселенной. Авторы утверждают, что «Роман» будет обнаруживать всего 100 СПР в год, но они будут гораздо более удалёнными. Находки телескопа «Роман» также будут более качественными. «Хотя абсолютное число меньше, чем у LSST, ожидается, что выборка СПР, обнаруженных „Роман“, будет исключительно чистой и хорошо охарактеризованной», — пишут они.
Поскольку обнаруженные «Роман» СМЧД настолько древние, они предоставят важную информацию о массе СМЧД в критический момент истории Вселенной. Эти наблюдения помогут астрофизикам определить, какая модель роста СМЧД является более точной.
«Уэбб» вряд ли обнаружит много СПР, но те, которые он обнаружит, будут иметь чрезвычайно высокие красные смещения, что сделает его вклад важным.
Существует, по сути, два способа прогнозирования количества чёрных дыр в различных диапазонах масс, существовавших в разные периоды времени во Вселенной: эмпирический и с использованием мощных моделирований. Массовая функция Шанкара является эмпирической и использует наблюдения галактик для определения популяции СМЧД с различными массами. Illustris TNG — это гидродинамическое моделирование на суперкомпьютере, которое прогнозирует массы чёрных дыр на основе эволюции таких факторов, как газ и звёзды, с течением времени.
Именно здесь «Роман» и его HLTDS сыграют решающую роль. «HLTDS позволит с высокой чувствительностью исследовать как нормализацию распределения красного смещения СПР, так и его форму. Таким образом, HLTDS станет мощным инструментом для различения моделей BHMF...», — пишут авторы.
«Просто подсчитав количество СПР в зависимости от красного смещения, можно установить значимые ограничения на популяцию чёрных дыр с массой в миллион масс Солнца», — сказала соавтор исследования Суви Гезари, доцент кафедры астрономии Университета Мэриленда. «Миссия „Роман“ станет прорывом, поскольку она позволит исследовать СПР на больших расстояниях, что даст возможность проследить, как частота СПР меняется со временем».
Как показал мощный телескоп «Уэбб», в ранней Вселенной существуют некоторые чрезвычайно массивные чёрные дыры, которые наши теории и модели с трудом могут объяснить. Они не могли сразу сформироваться столь массивными, поэтому, должно быть, росли с течением времени.
«Точно так же, как телескоп „Уэбб“ кардинально изменил наше представление о далёких галактиках с высоким красным смещением, телескоп „Роман“ готов кардинально изменить наше представление о переходных явлениях с высоким красным смещением», — сказал Гезари.
Существует несколько возможных объяснений появления этих ранних массивных чёрных дыр, и одно из них называется «лёгкие зародыши». Согласно этому сценарию, массивные звёзды коллапсируют, превращаясь в чёрные дыры звёздной массы, равной примерно 100 солнечным массам. Со временем они сливаются и становятся больше, одновременно наращивая массу за счёт аккреции газа. Согласно этому объяснению, каждая молодая галактика должна обладать СМЧД.
Другая версия называется «тяжёлые зародыши». Теоретически СМЧД массой до одного миллиона масс Солнца может образоваться непосредственно в результате коллапса массивного газового облака. Такое явление было бы более редким, и СМЧД в ранней Вселенной было бы гораздо меньше.
«СПР помогают нам исследовать популяцию лёгких СМЧД, что может помочь нам различить эти модели», — сказал Кармен.
«Благодаря использованию взаимодополняющих наблюдений LSST, „Роман“ и “Уэбба” будущие выборки СПР позволят проводить измерения на популяционном уровне, касающиеся эволюции частоты СПР и функции масс СМЧД. Данная работа создает основу для интерпретации этих измерений и показывает, что выборки СПР в предстоящих обзорах будут играть центральную роль в определении происхождения и роста СМЧД», — заключают исследователи.