Я слышал, что большинство сверхмассивных черных дыр образовано не звездами — на самом деле мы даже не уверены, как они образовались. Но может ли звезда с достаточной массой и достаточно низкой металличностью образовать сверхмассивную черную дыру? Скорее, будут ли какие-нибудь звезды, подходящие под эту категорию?
Как вы говорите, быстрое образование черных дыр в ранней Вселенной — главная нерешенная проблема в астрофизике. Существуют различные гипотезы, две из которых примерно соответствуют сверхмассивным звездам. Все в основном связано с попыткой дать черной дыре преимущество в массе. На самом деле не хватает времени, чтобы вырастить черная дыра в , так что идея скорее в том, чтобы получить что-то более массивное, чем несколько . Самый последний обзор, который я знаю навскидку, вероятно, Volonteri (2010) , но я не в курсе литературы.
По сути, представьте, что несколько сотен тысяч солнечных масс газа коллапсируют в первичную галактику. Когда газ коллапсирует, он потенциально фрагментируется, в зависимости от того, может ли он эффективно охлаждаться. Если это так, то осколки предположительно могут образовывать звезды, но в очень плотном скоплении. В конечном счете либо (а) массивные звезды в скоплении коллапсируют в черные дыры, которые затем сливаются в более крупную черную дыру, которая впоследствии может аккрецироваться до сверхмассивности (сверхмассы?); или (b) отдельные звезды сначала сливаются в центре, создавая звезду, возможно, в несколько тысяч солнечных масс, которая коллапсирует в массивную черную дыру, которая может расти.
Если первичное галактическое облако не расколется, мы ожидаем своего рода коллапс монолита. Где-то посередине газ начнет достигать гидростатического равновесия: образуется протозвезда. Но это протозвезда, которая потенциально аккрецирует несколько солнечных масс материала в год (или даже быстрее). Так что то, что произойдет дальше, зависит от того, должно ли быстро падающее вещество достичь локального теплового равновесия с протозвездой, или оно просто накапливается снаружи.
Если первое, то протозвезда может стать очень большой: тысячи или десятки тысяч солнечных масс, что, как и продукт суперслияния выше, предположительно оставляет в конце массивную черную дыру. Если маленькая протозвезда развивается независимо от падающего газа, она, вероятно, также достаточно велика, чтобы оставить черную дыру, только намного меньшую: десятки, а может быть, и сотни солнечных масс. Но это черная дыра, заключенная в этом огромном облаке падающего газа, который потенциально образует оболочку вокруг черной дыры. Эта структура была названа «квазизвездой», и черная дыра внутри может очень быстро расти в этом коконе. В конце концов, оболочка испарится/рассеется, оставив теперь уже массивную черную дыру продолжать наращивать свой путь к сверхмассивности.
Обратите внимание, что эти механизмы формирования, как ожидается, будут характерны для ранней Вселенной. Как только вы добавите в газ хотя бы небольшое количество металлов, ожидается, что звездообразование будет больше похоже на «современную» Вселенную. На самом деле звездообразование в этих сценариях еще далеко не решено. Основная причина в том, что вам нужно проследить, как газ эволюционирует от масштаба протогалактики до протозвезд внутри. Это диапазон шкал, что-то вроде , что численно очень сложно.
И, наконец, чтобы ответить на вопрос прямо, ни в одном из вариантов сверхмассивных звезд звезды действительно не коллапсируют в сверхмассивные черные дыры. СМЧД настолько велики, что они могли стать такими большими только в результате аккреции. Сверхмассивные звезды коллапсируют в своих прародителей (или «семена»), которые впоследствии вырастают до таких больших масс.
Самые ранние звезды были построены из материала, образовавшегося в результате Большого взрыва. Это будет почти полностью водород и гелий без «металлов». Из такого материала легче формировать более массивные звезды, так как он более прозрачен для излучения. Тем не менее, предполагается, что самая большая из этих звезд населения III имеет массу около 1000 солнечных.
Следовательно, сверхмассивные черные дыры должны расти (быстро) либо за счет слияния в скопления или между галактиками, либо за счет быстрой аккреции газа на черную дыру-«зародыш» гораздо меньшей массы.
Как именно это является главной нерешенной проблемой астрофизики.
ШифрБот