Космический телескоп «Роман» займется поиском древних черных дыр по поглощаемым ими звездам

Сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) можно назвать весьма неаккуратными «гастрономами» космоса. Когда неосторожная звезда пересекает критическую границу, колоссальное гравитационное поле СМЧД не просто затягивает её внутрь, но и беспощадно деформирует, разрывая на фрагменты перед окончательным поглощением. Для современной астрофизики эти драматичные процессы представляют огромную ценность, поскольку именно они выдают присутствие скрытых гигантов.

В научном мире гибель звезды под воздействием гравитации чёрной дыры именуется событием приливного разрушения (СПР). Высвобожденное вещество формирует вокруг объекта вращающийся аккреционный диск, который разогревается до экстремальных температур и вспыхивает с невероятной интенсивностью — порой его сияние на несколько недель затмевает свет всей родительской галактики. Подобные свечения служат для астрономов маяками, позволяя находить чёрные дыры, которые при иных обстоятельствах оставались бы абсолютно невидимыми.

И речь идет далеко не о простом любопытстве. Исследователям, пытающимся понять механизмы формирования колоссальной массы СМЧД, необходим колоссальный массив эмпирических данных, охватывающих не только ближайший космос, но и всю эволюционную хронологию Вселенной. В недавно опубликованной научной статье в издании «The Astrophysical Journal» представлены детальные прогнозы относительно того, сколько подобных катаклизмов удастся зафиксировать с помощью передовых обсерваторий.

Научная работа озаглавлена «Частота событий приливного разрушения на протяжении космического времени: прогнозы для LSST, „Роман“ и “Уэбба” и их ограничения на функцию масс СМЧД». Главным автором исследования выступил Митчелл Кармен, аспирант Университета Джонса Хопкинса.

«Точное определение распределения масс СМЧД на масштабных временных отрезках по-прежнему сопряжено с серьезными трудностями, особенно в отношении популяции маломассивных чёрных дыр при z > 1», — отмечают Кармен и его коллеги. «При этом именно эта группа объектов наиболее чувствительна к существующим теориям зарождения и раннего набора массы СМЧД».

Стоит отметить, что СПР происходят преимущественно у относительно «легких» СМЧД с массами в диапазоне от 100 тысяч до 100 миллионов солнечных масс, тогда как более тяжелые аналоги поглощают светила целиком и без следа. Именно приливные разрушения остаются едва ли не единственным инструментом для выявления чёрных дыр данного весового класса. «СПР — это уникальный почерк СМЧД сравнительно небольшой массы», — подчёркивают авторы.

Главная сложность заключается в необходимости фиксировать подобные феноны на больших космологических расстояниях (при высоких красных смещениях), чтобы проследить траекторию эволюции чёрных дыр. В частности, СПР способны пролить свет на популяции легких СМЧД на самых разных этапах существования Вселенной. Ключевую роль в этом сыграет космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман, запуск которого намечен на ближайшее лето.

Ключевым направлением научной программы обсерватории «Роман» станет проект широкого обзора переходных процессов в высоких широтах (HLTDS). Регулярный мониторинг одной и той же небесной сферы признан эффективной стратегией поиска нестабильных космических явлений вроде СПР.

Вероятность возникновения СПР неизбежно менялась на протяжении эпох вместе с ростом массы самих СМЧД. Предварительные изыскания указывают на то, что в глубоком прошлом, когда чёрные дыры еще не успели набрать достаточную массу, частота таких событий была ниже. В новом исследовании учёные подошли к вопросу комплексно, разработав инновационную модель эволюции СМЧД и СПР с учетом множества временных факторов.

«Мы сформировали полуэмпирическую модель, описывающую трансформацию частоты СПР относительно красного смещения при различных сценариях распределения масс чёрных дыр. Нам удалось продемонстрировать, что эти показатели напрямую зависят от изначальной функции масс СМЧД и её динамики», — поясняют исследователи. Они также учли сопутствующие параметры: плотность звёздных ядер в галактиках, интенсивность их слияний и степень поглощения света космической пылью, оценив их комплексное влияние на общую картину.

Опираясь на созданную математическую модель, физики спрогнозировали продуктивность телескопа «Роман», а также оценили потенциал обсерватории Веры Рубин в рамках проекта LSST (Legacy Survey of Space and Time) и космического телескопа «Уэбб» (в частности, его программы COSMOS-Web).

«Анализ показал, что с учетом всех поправок объемная частота СПР возрастает по мере удаления в прошлое, достигая пика в эпоху „космического полудня“, после чего снижается на еще больших красных смещениях, где чёрные дыры подходящей массы встречаются крайне редко», — резюмируют авторы. Иными словами, чем дальше вглубь времён сможет заглянуть «Роман», тем больше уникальных событий он зафиксирует, причем максимум придется на период активного звездообразования и роста галактик, наступивший спустя 2–3 миллиарда лет после Большого взрыва.

По оценкам исследователей, проект LSST обсерватории Рубин будет ежегодно регистрировать десятки тысяч приливных разрушений на протяжении десятилетия работы. Однако возможности LSST по глубине обзора ограничены. В свою очередь, инфракрасный телескоп «Роман» ориентирован на изучение света древней Вселенной: он будет находить около сотни СПР в год, но каждый такой объект окажется значительно удален от нас. Качество и чистота этой выборки будут на порядок выше. «Несмотря на скромные количественные показатели в сравнении с LSST, данные от телескопа „Роман“ обещают быть исключительно чистыми и детально изученными», — пишут авторы.

Древний возраст зафиксированных «Романом» СМЧД предоставит бесценные сведения о массах чёрных дыр в переломные моменты космической истории. Эта информация позволит астрофизикам верифицировать существующие теоретические модели роста космических монстров.

Хотя телескоп «Уэбб» не сможет похвастаться большим числом обнаруженных СПР, каждое зарегистрированное им событие будет отличаться экстремальным красным смещением, что придаст этим единичным находкам колоссальную научную ценность.

На сегодняшний день прогнозирование популяции чёрных дыр разной массы опирается на два основных подхода: эмпирические наблюдения и суперкомпьютерное моделирование. Функция масс Шанкара строится на базе астрономических наблюдений галактик, тогда как гидродинамический симулятор Illustris TNG вычисляет параметры чёрных дыр на основе эволюции газа и звёздного вещества.

Именно здесь бесценный потенциал обсерватории «Роман» и ее программы HLTDS проявится в полной мере. «Высокая чувствительность HLTDS позволит детально изучить как общую нормировку, так и конфигурацию распределения СПР по красному смещению. Тем самым телескоп превратится в идеальный инструмент для проверки различных вариаций функции масс чёрных дыр», — утверждают авторы.

«Простой подсчет приливных разрушений в зависимости от красного смещения накладывает жесткие ограничения на число черных дыр с массами около миллиона солнечных», — поясняет соавтор работы Суви Гезари, доцент кафедры астрономии Мэрилендского университета. «Миссия „Роман“ совершит настоящий переворот, дав нам возможность исследовать СПР на колоссальных расстояниях и проследить эволюцию их частоты во времени».

Как наглядно продемонстрировал космический телескоп «Уэбб», в ранней Вселенной существовали сверхмассивные чёрные дыры аномально крупных размеров, существование которых ставит в тупик классические космологические теории. Они физически не могли вырасти до таких масштабов мгновенно, а значит, прошли долгий путь эволюции.

«Подобно тому как телескоп „Уэбб“ полностью перевернул наши представления о далёких галактиках с большим красным смещением, обсерватория „Роман“ готова радикально изменить наше понимание транзиентных космических процессов на заре времен», — подчеркнула Гезари.

Существует несколько гипотез, объясняющих происхождение столь ранних сверхтяжелых объектов. Первая из них опирается на концепцию «легких зародышей»: массивные светила коллапсируют в чёрные дыры звездной величины (около 100 солнечных масс), которые со временем укрупняются за счет слияний и аккреции вещества. В рамках этого сценария черная дыра должна присутствовать в сердце каждой молодой галактики.

Альтернативная гипотеза предполагает существование «тяжелых зародышей». Согласно теории, СМЧД массой до миллиона солнечных масс могли формироваться напрямую из гигантских газовых облаков. Подобные события должны были происходить реже, а общее число первичных чёрных дыр в ранней Вселенной — быть значительно меньшим.

«Анализ СПР помогает нам детально изучить популяцию маломассивных СМЧД, что является ключом к выбору между этими конкурирующими теориями», — резюмирует Кармен.

«Совместное использование потенциала обсерваторий LSST, „Роман“ и „Уэбб“ позволит сформировать массив данных нового поколения для изучения динамики СПР и функции масс СМЧД. Наше исследование закладывает методологическую базу для интерпретации этих уникальных наблюдений и доказывает, что будущие обзоры станут фундаментом для понимания истоков и эволюции сверхмассивных черных дыр», — заключают исследователи.

Источник