Суперкомпьютер показал, откуда берутся загадочные черные дыры промежуточных масс

Японские ученые впервые показали, как во вселенной могут рождаться черные дыры редкого типа — промежуточных масс. Моделирование на суперкомпьютере показало, что возникать они могут в центрах звездных скоплений, говорится в исследовании, опубликованном в журнале Science.

Одной из загадок современной астрофизики является происхождение так называемых черных дыр промежуточной массы (intermediate-mass black hole, IMBH), которые с одной стороны, тяжелее 100 масс Солнца (черных дыр звездной массы) и легче 105 масс Солнца — сверхмассивных черных дыр. Черные дыры звездных масс наблюдаются астрономами, если они окружены аккреционным диском, находятся в двойной системе со звездой, или когда сливаются друг с другом. Известно, что формируются такие черные дыры в результате взрывов массивных звезд. Сверхмассивные черные дыры наблюдаются по ряду эффектов в центрах галактик, в том числе нашей — Млечном пути.

Астрономы выдвигали предположение о существовании черных дыр промежуточных масс, но лишь недавно первые кандидаты в такие объекты были обнаружены, и перед теоретиками встал вопрос о механизме их формирования.

Одна из выдвинутых ранее гипотез предполагала образование черных дыр средних масс внутри шаровых звездных скоплений — гравитационно связанных скоплений звезд общей массой 105-106 масс Солнца, вращающихся вокруг центра галактик. В центре этих скоплений, где наблюдается наиболее высокая плотность и скорость вещества, черные дыры звездных масс сталкиваются со звездами, что потенциально может приводить к формирования черных дыр промежуточных масс. Однако проведенные ранее расчеты показали, что таким способом могут образовываться черные дыры лишь легче 500 масс Солнца — при дальнейшем росте черная дыра должна получать «пинок» и вылетать из звездного скопления.

Однако ученые под руководством Мисико Фудзи из Университета Токио провели новое масштабное численное моделирование, в котором просчитали эволюцию звездных скоплений на этапе формирования и пришли к выводу, что описанный механизм возможен. В своих расчетах они рассматривали эволюцию шаровых звездных скоплений массой 105-106 масс Солнца, состоящих из звезд и газа, моделируя такие процессы, как рождение и столкновения отдельных звезд, в ходе которых образуются «очень массивные звезды», массой в 1000 масс Солнца. Моделирование показало, что в ходе эволюции из таких звезд могут формироваться черные дыры промежуточных масс.

«Моделирование образования скопления было сложным из-за его стоимости, — пояснил Фудзи. — Впервые мы успешно осуществили численное моделирование рождения шарового скопления, рассмотрев отдельные звезды. Рассмотрев отдельные звезды с реальными массами, мы смогли воссоздать их столкновения в весьма тесном окружении. Для этих расчетов мы разработали новый код, в котором смогли собрать миллионы звезд с высокой точностью».

«Во всех наших симуляциях, в которых родились скопления тяжелее 105 масс Солнца, также сформировались черные дыры переходной массы тяжелее 103 масс Солнца», — говорится в исследовании. Кроме того, оказалось, что отношение масс получившихся черных дыр к массам их скоплений соответствует наблюдательным данным.

«Наша конечная цель — смоделировать целые галактики с разрешением до отдельных звезд, — пояснил Фудзи. — Пока еще трудно с помощью доступных суперкомпьютеров делать симуляцию галактик размером с Млечный путь, выделяя отдельные звезды . Но это возможно, если моделировать небольшие, карликовые галактики. Кроме того мы хотим смоделировать ранние звездные скопления, сформировавшиеся в ранней вселенной. Первые звездные скопления были теми местами, где черные дыры промежуточных масс также могли рождаться».