Близнецы-звезды часто рождаются в родильном зале гигантских молекулярных облаков. Обычный механизм образования пары звезд включает коллапс вращающегося газового облака в быстро вращающийся диск. Самогравитация тонкого диска создает структуру в форме гантели, которая распределяет угловой момент диска между двумя центрами гравитации, накапливающими газ и способными сформировать пару звезд. Около половины звезд, подобных Солнцу, имеют спутников с сопоставимой массой. Однако Солнце было одиночной звездой на протяжении всей известной истории.
Одним из неожиданных открытий телескопа Webb стали маленькие красные точки (LRD — Little Red Dots). Эти компактные красные галактики были обнаружены в родильном зале ранней Вселенной, менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Они оказались более красными, чем ожидалось на основании их космологического красного смещения, что свидетельствует о дополнительном покраснении из-за завесы пыли и газа. Некоторые LRD содержат столько же массы в виде эволюционировавших звезд, сколько наш Млечный Путь, но при этом они в сто раз меньше по радиусу — всего несколько сотен световых лет. В недавно опубликованной научной заметке я отметил, что образование необычно компактных галактических дисков было предсказано в статье, которую я написал вместе с моим бывшим аспирантом Дэниелом Айзенштейном ровно тридцать лет назад.
Число звезд на единицу объема в дисках LRD в миллион раз больше, чем в окрестностях Солнца. Если черная дыра еще не сформировалась в ядре LRD, то она неизбежно возникнет в результате столкновений между этими звездами. В любом случае конечным результатом станет очень компактный газовый диск. Если аналогия с формированием двойных звезд верна, то компактные диски LRD могут образовывать структуру в форме гантели, что приведет к рождению сверхмассивных черных дыр-близнецов.
Существование компактного диска в LRD подтверждается спектроскопическими наблюдениями широких эмиссионных линий, которые свидетельствуют о вращении газа со скоростью до одного процента от скорости света — тысячи километров в секунду. Это именно тот диапазон скоростей, который ожидается в местах рождения черных дыр. Однако рентгеновские лучи пока не были обнаружены из этих галактик, хотя они обычно наблюдаются у квазаров. Возможно, это излучение скрыто за плотной завесой газа. Необходимая масса черных дыр превышает ожидаемую на основании современной корреляции между массой звезд и черных дыр. Возможно, LRD "беременны" чрезмерно массивными черными дырами-близнецами.
Формирование каждой черной дыры может проходить через стадию сверхмассивной звезды — гигантского шара горячего и плотного газа массой от тысяч до миллионов масс Солнца. Мы никогда не наблюдали таких сверхмассивных звезд в современной Вселенной, но есть косвенные свидетельства их существования, например, парно-неустойчивые сверхновые или черные дыры среднего размера, которые могут быть их конечной стадией эволюции.
Внутри LRD орбитальное движение двух черных дыр создает своего рода "гравитационный блендер", который измельчает звезды и газ, сдвигая массу к центру галактики. Это способствует росту черных дыр до чрезмерно больших размеров, причем более эффективно, чем если бы там находилась только одна черная дыра.
Как сиамские близнецы, пара черных дыр, которая рождается слишком близко друг к другу, в конечном итоге сливается в одну. В случае черных дыр этот процесс ускоряется за счет динамического трения о фоновый газ на больших расстояниях и излучения гравитационных волн по мере уменьшения расстояния между ними. Итогом такого слияния становится одна чрезмерно массивная черная дыра.
Черные дыры-близнецы могут также образовываться при коллапсе вращающегося ядра внутри обычной массивной звезды. Как я отметил в своей статье, джеты, создаваемые черными дырами, могут вызывать гамма-всплески, сопровождаемые гравитационно-волновыми сигналами, которые можно обнаружить с помощью сети LIGO-Virgo-KAGRA.
Гравитационные волны, возникающие при формировании сверхмассивных черных дыр-близнецов, могли бы быть зафиксированы с помощью космического интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna), запуск которого планируют ESO и NASA в 2035 году. Подобно ультразвуковому сканированию близнецов в утробе матери, гравитационные волны позволят определить массу и расстояние между новорожденными черными дырами, спрятанными внутри красной точки на небе.
Рождение сверхмассивных черных дыр длится гораздо дольше, чем девять месяцев — зачастую десятки миллионов лет.
Через десятилетие LISA даст нам ответ, рождаются ли черные дыры-близнецы внутри красных точек, обнаруженных телескопом Webb. Если да, то эти объекты можно считать космическими утробами, в которых во времена ранней Вселенной рождались самые массивные близнецы.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь пожалуйста на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos