Спросите Итана №44: что возникло раньше – сверхмассивные чёрные дыры или галактики?

Нужно быть оптимистом – надеяться, что несколько новых результатов измерений откроют новые территории для теоретиков.
Джим Пиблз

Читатель спрашивает: 

что появилось раньше, чёрные дыры в центре спиральных галактик, или же сами галактики?

Недавно мы рассматривали самые большие и самые маленькие чёрные дыры Вселенной, и это даёт нам возможность рассмотреть порядок, в котором формировались разные структуры во Вселенной. Вот как выглядит Вселенная на крупных масштабах:

https://geektimes.ru/post/274909/
В данный момент Вселенная содержит от нескольких сотен миллиардов до триллиона галактик, массы которых варьируются от 0,01% Млечного пути до 1000 масс нашей галактики. Скопления расположены в паутиноподобной космической структуре, в ней есть суперкластеры и пересечения нитей, и огромные пустые пространства размером в десятки миллионов световых лет. Видимая часть Вселенной тянется на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях от нас.

Но это не всегда было так — даже близко к этому не было. В самом начале всё было однородным. Только по прошествии миллиардов лет Вселенная начала напоминать свой текущий вид.



Важно представлять себе Вселенную на крупных масштабах, чтобы правильно ответить на вопрос по поводу чёрных дыр – хотя эти темы на первый взгляд могут показаться несвязанными.

Почему?

Потому, что если мы задаёмся вопросом, что появилось первым, чёрная дыра или же галактика, в которой она потом сформировалась, то на самом деле мы спрашиваем: развивалась ли Вселенная от малых структур к большим, или наоборот?



Десятки лет спор на эту тему вели, в основном, американские и советские учёные. Первые предпочитали подход снизу вверх, вторые – сверху вниз. В чём разница:

Снизу вверх: Вселенная началась с сильных флуктуаций на малых масштабах, а не на больших. Слишком плотные регионы росли со временем, приводили к появлению сгустков, которые росли, объединялись и кучковались вместе, чтобы затем вырасти в большие галактики и кластеры. По этому сценарию чёрные дыры сформировались первыми, вместе с большими кучками звёзд, и только сильно позже они выросли в то, что стало галактиками.

Сверху вниз: Вселенная началась с сильных флуктуаций на больших масштабах, а не на малых. Слишком плотные и большие регионы испытывали гравитационные коллапсы, и превращались из неровных эллипсоидов в блины, которые превращались в галактики. Позже галактики эволюционировали и вырастили чёрные дыры в своих центрах. По этому сценарию галактики сформировались первыми.

Очень долго не было доказательств того, какой из подходов является верным.



Всё начало меняться, когда мы открыли и стали измерять остаточное свечение Большого взрыва, которое сообщило нам много информации как о ранней Вселенной, так и о структуре текущей. Вы, наверно, знаете, что Вселенная состоит в основном из тёмной энергии и тёмной материи, и что лишь несколько процентов составляет обычная материя, а излучение, или энергия фотонов – это вообще 0,01%.

Нам это известно из комбинации доказательств, в основном – от фонового микроволнового излучения, наблюдений за крупномасштабными структурами и измерения Вселенной на больших расстояниях.



Тут показаны разные энергетические компоненты Вселенной. Эта информация очень важна для понимания её эволюции. Но мы также, изучив структуру Вселенной на больших масштабах (благодаря методу BAO, или барионным акустическим колебаниям, и микроволновому фоновому излучению), можем узнать о масштабах и силе изначальных флюктуаций Вселенной.

Случались ли они на больших масштабах, малых масштабах, или происходили одновременно? И с какой силой? Какая их часть происходит от гравитационных и электромагнитных взаимодействий, произошедших со времён Большого взрыва, и как они изначально были распределены? Микроволновое фоновое излучение может многое рассказать обо всём этом.



В частности, изначальная схема распределения флюктуаций была инвариантна относительно масштабов – то есть, флюктуации примерно равной силы случались на всех масштабах, как больших, так и малых. Распределения осцилляций с правой стороны графика (картинка ниже) стали такими из-за взаимодействия тёмной и обычной материи с излучением, происходившие под воздействием гравитации.



Но именно левая плоская часть графика, соответствующая большим масштабам, показывает отсутствие уклона кривой. Из этого следует, что, в сочетании с данными правой части графика, можно сделать вывод, что Вселенная родилась с флюктуациями примерно равной силы как на больших, так и малых масштабах. Это известно уже примерно 15 лет. Последние данные от проектов WMAP и Planck лишь подтвердили вырисовывающуюся картину.

Вы можете решить, прочитав всё это, что ответ на вопрос остаётся неизвестным. Но существует ещё одна часть разгадки, рассказывающая о формировании структур во Вселенной – и она, возможно, даёт нам ответ. Несмотря на то, что предпосылки структур существуют на всех масштабах, и вносят свой вклад, развитие событий «сверху вниз» не играет особой роли из-за того, что скорость распространения гравитации во Вселенной конечна.



Регионы с большой плотностью на малых масштабах могут начать притягивать дополнительную материю довольно быстро, так как гравитация распространяется со скоростью света. С другой стороны, структуры на больших масштабах не могут меняться быстро – те, что имеют размеры в десятки миллионов световых лет, должны ждать десятки миллионов лет, чтобы почувствовать силу притяжения.

Иначе говоря, оба сценария, как сверху вниз, так и снизу вверх, играют роль – но сценарий снизу вверх, будучи относительно малым, получает фору в миллионы лет. И первые звёзды во Вселенной начали формироваться не позднее, чем через 100 миллионов лет после Большого взрыва.



Среди этих звёзд типа «население III», первых звёзд, сформировавшиеся во Вселенной из первоначальных водорода и гелия, будут и массивные, которые превратятся в первые чёрные дыры во Вселенной. И этот процесс не меняется со временем – при возникновении большого скопления новых звёзд, самые тяжёлые из них (самые яркие, голубые и горячие), все закончат катастрофой, а их ядра сколлапсируют в чёрные дыры. В самых экстремальных случаях эти звёзды могут иметь массы, в сотни раз превышающие солнечную, и в результате порождать очень большие чёрные дыры всего лишь через несколько миллионов лет после их возникновения.



Итак, насколько мы знаем, во Вселенной сначала сформировались звёзды и чёрные дыры, а затем вокруг них появились галактики путём объединения этих небольших регионов. С течением времени они выросли в сверхмассивные чёрные дыры и большие галактики, которые мы сейчас наблюдаем. Но для этого потребовались изначальные флюктуации, по мощности сравнимые как на больших, так и малых масштабах.



Значит, лучший ответ на вопрос заключается в том, что сначала сформировались зародыши сверхмассивных чёрных дыр и галактик, причём это произошло примерно в одно и то же время. Но эти чёрные дыры изначально были довольно крупными, и успели вырасти до тысяч солнечных масс до того, как их окружение можно было назвать галактиками. И получается, что чёрные дыры сформировались сначала – но в тех регионах, которые после объединений превратились в галактики.