Автор: Денис Аветисян
Новое исследование предлагает решение для трех ключевых проблем, возникших при изучении космического рассвета.
Слияние гало темной материи, одно из которых содержит сформированную в условиях высокой плотности темную звезду, способную эволюционировать в сверхмассивную звезду, окруженную темной материей, приводит к коллапсу и формированию сверхмассивной черной дыры, аккреция которой, подпитываемая материей, полученной в результате слияния, вызывает вспышку звездообразования и наблюдается на больших красных смещениях.
Сверхмассивные тёмные звёзды, питаемые аннигиляцией тёмной материи, могут объяснить происхождение квазаров высокой красной смещения, особенности галактик ‘Голубые монстры’ и природу объектов ‘Маленькие красные точки’.
Наблюдения, полученные с телескопом «Джеймс Уэбб», бросают вызов существующим моделям формирования первых звезд и галактик. В работе ‘Supermassive Dark Stars and their remnants as a possible solution to three recent cosmic dawn puzzles’ предложена гипотеза о том, что сверхмассивные темные звезды (SMDS), питаемые аннигиляцией темной материи, могут объяснить происхождение далеких квазаров, особенности галактик «Голубые Монстры» и природу «Маленьких Красных Точек». Данное исследование предполагает, что SMDS представляли собой предшественников сверхмассивных черных дыр и могли формироваться из первичных газовых облаков на заре Вселенной. Не смогут ли эти темные звезды стать ключом к пониманию эволюции ранней Вселенной и разрешению накопившихся космологических загадок?
Тень Ранней Вселенной: Загадка Сверхмассивных Чёрных Дыр
Существование высококрасных квазаров ставит фундаментальную проблему: как сверхмассивные чёрные дыры сформировались настолько быстро в ранней Вселенной? Наблюдения показывают их наличие на красных смещениях 𝑧 >6, что соответствует эпохе, когда Вселенной было менее миллиарда лет. Это бросает вызов стандартным моделям их формирования. Стандартные модели аккреции не могут объяснить столь быстрый рост, превышающий теоретический предел Эддингтона. Это указывает на необходимость альтернативных механизмов формирования зародышей чёрных дыр, отличных от остатков звёзд. Поиск объяснения ведётся в направлении прямого коллапса газовых облаков, слияния звёздных скоплений или аккреции на чёрные дыры промежуточной массы. Каждая гипотеза сталкивается со сложностями, требуя дальнейших исследований. Изучение этих объектов – попытка заглянуть в бездну, где тьма отражает наши собственные ограничения.
Чёрные дыры с массами от 104 до 105𝑀⊙, сформировавшиеся при 𝑧 ≃25 и растущие с темпом, близким к пределу Эддингтона, объясняют массу UHZ1 и трёх ранее известных квазаров с самым высоким красным смещением, что требует эффективности аккреции 𝜂 =0.114.
Тёмные Звёзды: Новая Эра Массивных Объектов
Тёмные звёзды – теоретический класс массивных звёзд, светимость которых обусловлена аннигиляцией частиц тёмной материи в ядрах. В отличие от обычных звёзд, их светимость не ограничена ядерным синтезом, что позволяет достигать беспрецедентных размеров и масс. Адиабатическое сжатие нагревает тёмную материю, увеличивая её плотность в 104—105 раз. Это обеспечивает стабильность и размер тёмных звёзд на протяжении длительного времени, в отличие от протозвёзд, эволюция которых определяется гравитационным коллапсом и термоядерными реакциями. Тёмные звёзды предлагают правдоподобный путь к формированию массивных зародышей, потенциально достигающих 1.5 ×105𝑀⊙ перед коллапсом, для сверхмассивных чёрных дыр, объясняя их происхождение.
Сверхмассивные чёрные дыры UHZ1, J0313–1806, J1342+0928 и J1007+2115 могут быть сформированы из тёмных звёзд, которые формируются при 𝑧𝑓𝑜𝑟𝑚 =20, растут с постоянной скоростью аккреции и коллапсируют в чёрные дыры при 𝑧𝐵𝐻 =15, при этом фаза тёмной звезды изображена заштрихованной синей областью, а аккреция на предельном уровне Эддингтона – синей областью слева от 𝑧 =𝑧𝐵𝐻.
Альтернативные Пути: Прямой Коллапс и Условия в Гало
Альтернативный путь формирования сверхмассивных чёрных дыр – прямой коллапс, при котором гравитационная нестабильность приводит к сжатию первозданных газовых облаков. Реализация этого сценария требует подавления фрагментации облака за счёт эффективного охлаждения в специфических гало – атомных охлаждающих гало, препятствующих образованию молекулярного водорода. Слияния гало, обусловленные динамическим трением, могут служить триггером для коллапса Тёмных Звёзд и создавать условия для прямого коллапса. Различные сценарии могут приводить к наблюдаемым характеристикам чёрных дыр, затрудняя их однозначную идентификацию.
Существует вырожденность между решениями, основанными на тёмных звёздах (синяя полоса) и прямом коллапсе (танжеловая полоса) для объяснения сверхмассивных чёрных дыр на высоких красных смещениях, таких как UHZ1, при этом для левой и правой панелей выбрано 𝑧𝑓𝑜𝑟𝑚 =25, а красное смещение коллапса тёмной звезды в чёрную дыру (𝑧𝐵𝐻) равно 15 (левая панель) и 20 (правая панель).
Следствие Ранней Вселенной: Галактики-Монстры
Тёмные звёзды могут объяснить характеристики «голубых монстров» – компактных, ярких галактик на больших красных смещениях, не укладывающихся в стандартные модели.
Обратите внимание: Что больше Вселенной (рассказ).
Эти галактики демонстрируют необычно высокую светимость и компактность. Тёмные звёзды, благодаря своим размерам и светимости, проявляют свойства, наблюдаемые у этих галактик, поддерживая скорость аккреции в 10−3𝑀⊙/год. Это позволяет объяснить высокую светимость и быстрое формирование массивных структур. Предел Эддингтона ограничивает рост чёрных дыр, однако тёмные звёзды обходят это ограничение, предлагая более эффективный путь роста.
В спектре JADES-GS-z14-0 идентифицирована абсорбционная линия He II 1640 Å, при этом отношение сигнал/шум (SNR) рассчитано на основе полиномиальной аппроксимации (оранжевый цвет) наблюдаемого спектра (синий цвет), а положение линии He II отмечено чёрным цветом, при этом размер признака заштрихован серым, и он находится ниже уровня шума, при этом оценка SNR приблизительно равна 2.31.
Предлагаемая модель обеспечивает самосогласованную картину, связывающую тёмную материю, раннее звездообразование и свойства галактик на больших красных смещениях, объясняя рост чёрной дыры до 107𝑀⊙, как это наблюдается у UHZ1. Каждая гипотеза о сингулярности – лишь попытка удержать бесконечность на листе бумаги.
Исследование сверхмассивных тёмных звёзд (SMDS) предлагает смелый взгляд на раннюю Вселенную, пытаясь разрешить ряд загадок, связанных с высококрасными квазарами и галактиками. Многоспектральные наблюдения, упомянутые в работе, позволяют калибровать модели аккреции и джетов, что крайне важно для понимания процессов, происходящих вблизи этих гигантских объектов. Как заметил Ричард Фейнман: «Если вы не можете объяснить что-то простыми словами, значит, вы сами этого не понимаете». Эта фраза резонирует с подходом, представленным в статье, где сложные теоретические модели подвергаются строгой проверке на соответствие наблюдаемым данным, что демонстрирует ограничения и достижения текущих симуляций. Поиск объяснений для явлений, таких как ‘Голубые Монстры’ и ‘Маленькие Красные Точки’, требует не только построения сложных моделей, но и постоянного стремления к простоте и ясности понимания.
Что дальше?
Предложенная концепция сверхмассивных тёмных звёзд, питаемых аннигиляцией тёмной материи, претендует на элегантное решение сразу нескольких загадок ранней Вселенной. Но физика – это искусство догадок под давлением космоса, и каждое «красивое» объяснение неизбежно сталкивается с новыми, ещё более коварными вопросами. Существующие модели аккреции тёмной материи, необходимые для поддержания существования этих звёзд, требуют детальной проработки. Недостаточно просто указать на возможность аннигиляции – нужно показать, как этот процесс может эффективно протекать в условиях ранней Вселенной, избегая нежелательных эффектов, вроде чрезмерного нагрева окружающего газа.
Появление квазаров на столь ранних этапах существования Вселенной по-прежнему требует объяснения. Даже если сверхмассивные тёмные звёзды послужат затравкой для формирования чёрных дыр, способных к активному аккрецированию, остаётся неясным, как обеспечить достаточно быстрый рост этих объектов, чтобы соответствовать наблюдаемым данным. Чёрная дыра – это не просто объект, это зеркало нашей гордости и заблуждений. Всё красиво на бумаге, пока не начнёшь смотреть в телескоп.
Будущие наблюдения, особенно с помощью телескопов нового поколения, таких как James Webb Space Telescope, смогут проверить предсказанные свойства этих объектов. Однако, даже получение подтверждающих данных не станет окончательной победой. Скорее, это откроет новую главу в бесконечном поиске ответов на вопросы о происхождении и эволюции Вселенной. И, вероятно, выявит новые загадки, требующие ещё более смелых и нетривиальных решений.
Оригинал статьи: avetisyanfamily.com/tyomnye-zvyozdy-i-zagadki-rannej-vselennoj
Связаться с автором: linkedin.com/in/avetisyan
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Тёмные звёзды и загадки ранней Вселенной.