Учёные Йельского университета и Университета Северного Техаса изучили класс чёрных дыр, которые не являются сверхмассивными, не привязаны к какой-либо галактике и миллиарды лет дрейфуют в космическом пространстве. Согласно новому исследованию, такие «странники» могли изначально быть сверхмассивными чёрными дырами в центрах галактик, смещёнными в результате слияний галактик. Полученные данные помогут специалистам в поисках ответа на вопрос о происхождении чёрных дыр.
Работу возглавила Эмма Джейн Уэллер, аспирантка Йельского университета по специальности «астрономия». В исследовании также участвовали профессор физики, заведующая кафедрой астрономии Йельского университета Приямвада Натараджан и Колин Дж. Бёрк, постдокторант Йеля и Университета Северного Техаса. Натараджан additionally является главным исследователем в рамках Инициативы по чёрным дырам Гарвардского университета. Результаты опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.
Для исследования использовался ASTRID — набор высокоразрешающих космологических симуляций, моделирующих эволюцию Вселенной, включая звёзды, тёмную материю, газ и чёрные дыры, от ранних эпох до наших дней. С его помощью команда изучала галактики, населённые звёздами массой от 10 миллионов до 1 триллиона масс Солнца. Затем учёные проследили их эволюцию на протяжении примерно 12,6 миллиарда лет.
Ключевая особенность симуляции ASTRID состоит в том, что она не размещает чёрные дыры в центрах галактик автоматически. Вместо этого моделируются гравитационные силы, которые перемещают чёрные дыры в окружающем пространстве и приводят их к центрам. Это позволило команде различить стабильные чёрные дыры галактических ядер и «странников». Отмечается, что процесс образования блуждающих чёрных дыр был более выражен в галактиках с малой массой, где гравитация слабее.
«Наши результаты показывают, что учёт блуждающих чёрных дыр, — заявила Уэллер, — наряду с чёрными дырами в центрах, необходим для понимания происхождения и динамики массивных чёрных дыр и истории их галактик-хозяев».
Согласно распространённым теориям, первые чёрные дыры возникли как «семена» в молодой Вселенной. У учёных есть конкурирующие гипотезы о том, как они выросли в сверхмассивные чёрные дыры, наблюдаемые сегодня. Одни считают, что первые звёзды (население III) оставили небольшие семена, которые затем слились, другие утверждают, что тяжёлые семена образовались раньше путём прямого коллапса, когда первичный газ накопил достаточно массы для создания крупных чёрных дыр. Натараджан, научный руководитель Уэллер, является одним из ведущих сторонников теории «тяжёлых семян». «Что захватывает в наших выводах, так это то, что чёрные дыры, похоже, помнят больше, чем обстоятельства своего рождения. Их нынешнее местоположение несёт отпечаток всего, что произошло с их галактиками-хозяевами. Разделяя чёрные дыры в центрах галактик и блуждающие, мы можем начать распутывать эти две истории. Некоторые из самых показательных чёрных дыр Вселенной могут быть теми, что ушли бродить», — сказала Натараджан.
Симуляция ASTRID также выявила другие интересные результаты: галактики с малой массой, по-видимому, сохраняют информацию о своих первоначальных «семенных» чёрных дырах, несмотря на миллиарды лет роста через слияния. Кроме того, галактики с малой массой, прекратившие формирование новых звёзд, чаще содержат чёрные дыры в центрах, тогда как в тех, где звёзды всё ещё образуются, чаще встречаются «странники». В конечном счёте эти результаты предлагают основу для более комплексного подхода к изучению происхождения чёрных дыр, включающего глубокие рентгеновские наблюдения, оптическую и инфракрасную спектроскопию, радиоастрономию и транзиентные «вспышки» от чёрных дыр, поглощающих звёзды. «Каждый из этих методов может исследовать разные части популяции. Объединяя наблюдения с результатами симуляций, мы, возможно, сможем выявить отпечатки формирования чёрных дыр и эволюции галактик», — сказала Уэллер.