„Голям взрив с размер на галактика“. Най-големите черни дупки може би са източник на тъмната материя (видео)

Колко големи могат да станат черните дупки?

Черните дупки са много видове, звездните черни дупки, са останки от свръхнова и имат маса 4 до 15 пъти тази на Слънцето. Свръхмасивните черни дупки в центъра на галактиките могат да бъдат милиони слънчеви маси.

Но има ли естествена граница за размера им? 

Сега екип учени предполага, че черните дупки могат да достигнат така наречените от тях „невероятно големи“  размери (stupendously large black holes - SLAB), като всяка от тях има маса от 100 милиарда слънца и повече.

Откриването на такива гигантски черни дупки може да хвърли светлина върху природата на значителна част от мистериозната тъмна материя, която съставлява четири пети от материята във Вселената, казват изследователите.

Последните космологични изследвания, проведени от голям международен екип от Университета Queen Mary в Лондон в сътрудничество с Университета Lüdwig Maximilians в Мюнхен и Университета на Амстердам, проучват потенциалното присъствие във Вселената на тези невероятно големи черни дупки - „те може да са колкото мини Голям взрив с размер на галактика“, според Джули Хлавацек-Ларондо (Hlavacek-Larrondo) от Университета на Монреал, от канадската група от екипа. Тези загадъчни обекти, потвърдени от квантовата теория, могат да бъдат невероятно сложни и да концентрират огромно количество информация в себе си - най-големият твърд диск, който съществува в природата, в две измерения.

„Невероятно големи черни дупки“ (SLAB)

Откриването на такива гигантски черни дупки може да хвърли светлина върху природата на значителна част от мистериозната тъмна материя. Тези „невероятно големи черни дупки“ (SLAB) в галактическите ядра съществуват на теория. Най-голямата известна черна дупка във наблюдаваната Вселена захранва квазара TON 618 с маса от 66 милиарда слънчеви маси, което води до предположения, че съществуват още по-големи в рамките на или извън наблюдаваната Вселена.

Съществуват убедителни доказателства за съществуването на свръхмасивните черни дупки (SMBH - supermassive black hole), например Стрелец A* (4 × 10 ⁶ М_☉), която се намира в нашия Млечен път. Теоретично е доказано, че има естествена горна граница на големината на масата на тези SMBH.

„Ако SMBH е твърде голяма, тя ще спре да расте, тъй като дискът става прекалено масивен и ще се фрагментира под действието на собствената си гравитация. Това води до строга горна граница за масата на SMBH като функция на пространство-времето и въртенето [на черната дупка]“, обясняват учените.

Данните от изследването оставят отворена възможността да съществуват дори по-големи SLAB и това е мотивацията за новото проучване.

^{Стрелец A * Кредити: Chandra X-ray / NASA}

Как черните дупки могат да станат невероятно големи?

По принцип има две възможности за това как могат да се формират SLAB: Преди или след създаването на тяхната галактика-домакин. В последния случай „нормалнa“ SMBH привлича големи количества материал, за да нарасне до размер на SLAB. Когато обаче черна дупка "се храни" с газ, падащата материя образува акреционен диск около нея. Този диск е изключително горещ и поради това освобождава силно рентгеново излъчване. Не са наблюдавани никакви емисии от акреционните дискове на SLAB, така че авторите заключават, че е по-вероятно SLAB да се образуват преди техните галактики-домакини от първични черни дупки (PBH - Primordial Black Holes).

PBH са черни дупки, образувани от колебания на плътността в много ранната Вселена. Някои от тези флуктуации, които с течение на времето пораждат също и днешните галактики и галактически клъстери, биха могли да колапсират под действието на собствената си гравитация и така да образуват PBH. Тяхното съществуване все още не е потвърдено, но са кандидат за тъмната материя във Вселената. Разнообразие от различни наблюдения ограничават възможните маси на PBH до четири различни режима - размер на астероид (маси между 10 ¹⁶ g и 10 ¹⁸ g), размер на луна (маси между 10 ²⁰ g и 10 ²⁴ g), междинен размер (маси между няколко и стотици M ☉ ) и размер на SLAB (над 10 ¹¹ M ☉). Следователно SLAB могат да бъдат много масивни PBH или малко по-малки PBH, които натрупват известна маса.

Как бихме могли да открием невероятно големите черни дупки и колко може да са?

Авторите обсъждат три различни механизма, чрез които бихме могли да открием SLAB: Гравитационна леща, динамични ефекти и нагряване поради натрупване. Първият ефект, лещата, се появява, защото масивните черни дупки изкривяват светлинни лъчи. Следователно изображенията на фоновите обекти са изкривени и дори могат да се виждат множество изображения.

Няколко проучвания с оптични и радиовълни са търсили сред множество изображения на отдалечени квазари, причинени от черни дупки. Разстоянието между изображенията от един и същ източник дава оценка на масата на черната дупка, а броят на открите изображения дава горна граница на броя на черните дупки и съответно на SLAB.

^{Илюстрация на гравитационна леща от черна дупка, ако Земята е разположена точно зад черната дупка. В този случай наблюдателят вижда множество изображения, тъй като светлинните лъчи са изкривени. Подобен ефект трябва да се случва за изображения на звезди зад SLAB. Кредит: JIla/Colorado.edu}

Вторият тип ефекти възниква заради масата на SLAB, която влияе върху галактиките и мащабната структура на космоса. Ако SLAB надвишат определена плътност на масата и броя си, те могат да разрушат галактиките с приливни сили (подобно на Луната, чиято гравитация причинява приливите и отливите на Земята). Наблюденията в галактическия клъстер Дева обаче не разкри галактики, които може да са засегнати от SLAB. Следователно масата и броят на SLAB трябва да са достатъчно малки, така че нито една от повече от хиляда галактики в клъстера да не претърпи такова нарушение. Съответно авторите могат да зададат горна граница на броя на SLAB.

Друго ограничение е възможно от нашата представа за формирането на космическата структура. Ако SLAB са твърде масивни или многобройни, ореолите от тъмна материя и галактиките се образуват твърде рано. Това би противоречило на нашите наблюдения, например за Lyman Alpha Forest (многократно повторение на линията на абсорбиране Лиман-алфа в спектрите на отдалечени астрономически обекти), която ни казва кога са се образували първите звезди и галактики. Това знание също води до горна граница на плътността на SLAB.

Освен това голям брой SLAB биха причинили ускоряване на Млечния път поради гравитационното привличане. Следователно скоростта на Млечния път също ограничава броя на SLAB. Долната графика обобщава тези ограничения върху броя на SLAB като функция от тяхната маса.

^{Ограничения за броя на SLAB като функция от тяхната маса от динамични ефекти. Оста x показва възможната маса на черната дупка. Оста y показва съотношението на плътността на черните дупки към плътността на тъмната материя, така че по-голямото f означава повече черни дупки. Установените ограничения са от липсата на приливно нарушени галактики (G), образуването на мащабна структура (LSS) и скоростта на Млечния път, измерена с космическия микровълнов фон (CMB). Кредит: Constraints on Stupendously Large Black Holes, Bernard Carr et al.}

И накрая, третият тип ефект, очакван от SLAB, е нагряването поради тяхното нарастване. Тъй като черните дупки се хранят с газ, те излъчват радиация. Това лъчение загрява Вселената и би било видимо на рентгеновия фон. Тъй като не се открива този ефект, са възможни допълнителни ограничения върху броя на SLAB.

^{Ограничения за броя на SLAB като функция от тяхната маса от очакваното нагряване. Синята линия показва горната граница на изобилието на SLAB. Кредит: Constraints on Stupendously Large Black Holes, Bernard Carr et al.}

И така, има ли SLAB? И какво означава това за тъмната материя?

Авторите нито потвърждават, нито отхвърлят съществуването на SLAB, но дават горни граници на тяхното количество. Следователно могат да съществуват черни дупки, големи колкото 10 ¹⁹ M ☉ . Въпреки това те показат, че откриването на SLAB ще подкрепи теорията за PBH, които дават обещаващ механизъм за създаването на SLAB.

Подобно откритие би могло да хвърли светлина върху природата на тъмната материя. Самите SLAB са твърде масивни, за да бъдат убедителни кандидати за тъмна материя, защото един SLAB би бил по-масивен от някои наблюдавани ореоли на тъмна материя. Тъй като обаче откриването на SLAB би подкрепило съществуването на PBH, по-малки PBH, допринасящи за тъмната материя, биха били по-вероятни.

Справка: Constraints on Stupendously Large Black Holes
Bernard Carr et al., arXiv

Източници: 

Black holes – Do they grow stupendously large?, Astrobites

'Stupendously large' black holes could grow to truly monstrous sizes, space.com

“Galaxy-Sized Big Bang” –Largest Black Holes in Observable Universe May Be Source of Dark Matter, Daily Galaxy

Още по темата

18/06/2020

Физика

Тъмна материя: Загадъчен сигнал "удря" най-чувствителния детектор в света

04/04/2019

Космос

Тъмната материя не е съставена от малки черни дупки

05/12/2017

Космос

Гравитационните вълни ще покажат дали съществуват първични черни дупки

28/08/2017

Физика

Тежките елементи се създават докато първични черни дупки поглъщат неутронни звезди