Надмасивні чорні діри ховаються в центрах майже всіх великих галактик. Але побачити їх напряму майже неможливо: світло випромінює не сама діра, а речовина навколо неї, і легші екземпляри світять надто тьмяно. Космічний телескоп Nancy Grace Roman, старт якого запланований на 30 серпня 2026 року, має розв'язати цю проблему завдяки випадковим, але яскравим подіям — руйнуванню зір.
Нове дослідження, опубліковане в The Astrophysical Journal, показує: Roman зможе фіксувати такі спалахи від чорних дір, що існували вже 11 мільярдів років тому. Це дасть змогу простежити, як росла популяція надмасивних дір протягом майже всієї історії Всесвіту.
Як зоря видає чорну діру
Чорну діру найлегше помітити по акреційному диску — розжареній речовині, що обертається навколо неї перед поглинанням. Але легкі надмасивні діри поглинають мало матерії й тому світять слабко.
Ситуація змінюється, коли повз таку діру пролітає зоря. Гравітація розриває її на шматки — це називається приливним руйнуванням (tidal disruption event, TDE). Область навколо діри спалахує на кілька тижнів настільки яскраво, що затьмарює всю галактику-господаря, а потім поступово згасає.
Такі спалахи можливі лише для дір масою від 100 тисяч до 100 мільйонів мас Сонця. Важчі за мільярд сонячних мас об'єкти проковтують зорю цілком, без видимого спалаху — тому їх складніше врахувати в підрахунках.
Дослідники під керівництвом Мітчелла Кармена з Університету Джонса Гопкінса змоделювали, скільки таких подій зможуть побачити Roman, наземна обсерваторія Vera C. Rubin і телескоп James Webb. Модель врахувала фактори, які змінюються з часом: частоту злиття галактик, кількість зір у ядрах галактик та щільність їхнього розташування.
Виявилося, що частота TDE не просто спадає з відстанню, як вважали раніше. Вона зростає аж до так званого «космічного полудня» — періоду 11–12 мільярдів років тому, коли зореутворення у Всесвіті досягло піку, — а вже потім починає знижуватися.
Полювання за спалахами на різних довжинах хвиль
Ключовий інструмент для пошуку TDE — огляд High-Latitude Time-Domain Survey, один із трьох основних оглядів Roman. Він регулярно сканує ділянку неба площею близько 18 квадратних градусів (це приблизно 90 повних Місяців), що дозволяє відстежувати зміни яскравості одних і тих самих об'єктів.
Roman спостерігає у ближньому інфрачервоному діапазоні. Через розширення Всесвіту світло далеких TDE розтягується до довших хвиль (космологічне червоне зміщення), тому телескоп ідеально пристосований ловити події, чиє світло йшло до нас від 8 до 11 мільярдів років. За рік Roman має зафіксувати близько 100 таких спалахів.
Rubin Observatory працюватиме у видимому світлі й побачить набагато більше подій — від тисяч до десятків тисяч TDE на рік. Але це будуть переважно ближчі об'єкти. Далекі, найважливіші для розуміння ранньої історії дір, залишаться доступні тільки для Roman.
Just by counting the number of TDEs as a function of redshift, you can put meaningful constraints on the population of million-solar-mass black holesSuvi Gezari, Університет Меріленду
Дві версії народження надмасивних дір
Астрономи вже спостерігали справді величезні чорні діри в дуже ранньому Всесвіті — настільки великі, що існуючі теорії ледве пояснюють, як вони встигли так розростися. Очевидно, вони починалися меншими й росли з часом. Але наскільки меншими?
Перша теорія, «легкі зерна», припускає, що чорні діри народжувалися з решток масивних зір масою в кілька сотень сонячних. Далі вони зливалися одна з одною і поглинали навколишній газ із величезною швидкістю. У такому сценарії майже кожна молода галактика мала б у центрі масивну чорну діру.
Друга теорія, «важкі зерна», пропонує інший початок: чорна діра одразу народжується з масою до мільйона сонячних через прямий колапс газової хмари. Такий процес мав би траплятися значно рідше, тож масивні діри в ранніх галактиках були б рідкістю.
Підрахунок приливних руйнувань на різних відстанях допоможе перевірити обидва варіанти. Коли Roman і Rubin почнуть регулярні спостереження, дослідники зможуть порівняти реальну кількість спалахів із передбаченнями моделі — і зробити висновок, яка з теорій ближча до істини.
