Почти каждая галактика в современной Вселенной имеет в центре сверхмассивную черную дыру. Их масса иногда может достигать массы Солнца в 10 миллиардов раз. Однако их происхождение до сих пор остается одной из великих загадок астрономии.
Популярной теорией является модель прямого коллапса, в которой первичные облака межзвездного газа коллапсируют под действием самогравитации, образуя сверхмассивные звезды, которые затем эволюционируют в сверхмассивные черные дыры. Но предыдущие исследования показали, что прямой коллапс работает только с чистым газом, состоящим только из водорода и гелия.
Более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород, изменяют газовую динамику, заставляя коллапсирующий газ распадаться на множество меньших облаков, которые образуют собственные маленькие звезды, а не несколько сверхмассивных звезд. Прямой коллапс только из-за чистого газа не может объяснить большое количество сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых сегодня.
Сонмён Чон, научный сотрудник Японского общества содействия науке и Университета Тохоку, и его команда использовали суперкомпьютер ATERUI II Национальной астрономической обсерватории Японии для выполнения долгосрочного трехмерного моделирования с высоким разрешением, чтобы проверить возможность существования сверхмассивных звезд. может образовываться даже в газе, обогащенном тяжелыми элементами.
Формирование звезд в газовых облаках, включая тяжелые элементы, было трудно смоделировать из-за вычислительной стоимости моделирования бурного расщепления газа, но достижения в вычислительной мощности, в частности, высокая скорость вычислений «ATERUI II», введенного в эксплуатацию в 2018 году, позволили команде преодолеть этот вызов. Эти новые модели позволяют более подробно изучить образование звезд из газовых облаков.
Вопреки предыдущим предсказаниям, исследовательская группа обнаружила, что сверхмассивные звезды все еще могут образовываться из газовых облаков, обогащенных тяжелыми элементами. Как и ожидалось, газовое облако резко распадается, и образуются многие звезды меньшего размера.
Однако к центру облака идет сильный поток газа; меньшие звезды увлекаются этим потоком и поглощаются массивными звездами в центре. Моделирование привело к образованию массивной звезды в 10 000 раз массивнее Солнца. «Мы впервые показали образование такого большого предшественника черной дыры в облаках, обогащенных тяжелыми элементами.
Мы считаем, что образовавшаяся таким образом гигантская звезда будет продолжать расти и превращаться в гигантскую черную дыру », – говорит Чон.
Эта новая модель показывает, что не только первичный газ, но и газ, содержащий тяжелые элементы, может образовывать гигантские звезды, которые являются зародышами черных дыр. «Наша новая модель способна объяснить происхождение большего количества черных дыр, чем предыдущие исследования, и этот результат приводит к единому пониманию происхождения сверхмассивных черных дыр», – говорит Казуюки Омукай, профессор Университета Тохоку.