Исследование под руководством Мичико Фудзии из Токийского университета продемонстрировало возможный механизм образования черных дыр средней массы в шаровых звездных скоплениях, которые могут содержать десятки тысяч или даже миллионы звезд. Первое в истории моделирование образования массивных скоплений показало, что достаточно плотные молекулярные облака – «родовые гнезда» звездных скоплений – могут порождать очень массивные звезды, которые эволюционируют в черные дыры промежуточной массы. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
«Предыдущие наблюдения позволили предположить, что некоторые массивные звездные скопления (шаровые скопления) содержат черные дыры промежуточной массы IMBH (это черная дыра с массой 100-10000 масс Солнца). До сих пор не было серьезных теоретических доказательств существования IMBH с массой 1000-10 000 солнечных масс по сравнению с менее и более массивными», – объясняют ученые.
Родовые гнезда могут вызывать в воображении образы тепла и спокойствия. Но со звездами дело обстоит иначе. Шаровые звездные скопления формируются беспорядочно. Разница в плотности сначала приводит к столкновению и слиянию звезд. Когда они продолжают сливаться и расти, вместе с ними растут и гравитационные силы. Повторяющиеся столкновения звезд в плотной центральной области шаровых скоплений называются беглыми столкновениями. Они могут приводить к рождению очень массивных звезд, более 1000 солнечных масс. Потенциально эти звезды могут эволюционировать в IMBH. Однако предыдущие моделирования уже сформировавшихся скоплений показали, что звездные ветры сдувают большую часть их массы, оставляя их слишком маленькими. Чтобы выяснить, смогут ли IMBH «выжить», исследователям нужно было смоделировать скопление, пока оно еще формируется.
«Конструирование образования звездных скоплений было сложной задачей из-за его стоимости. Мы впервые успешно провели численное моделирование формирования шарового скопления, моделируя отдельные звезды. Разрешив отдельные звезды с реалистичной массой для каждой, мы смогли реконструировать столкновения звезд в плотно упакованной среде. Для этих симуляций мы разработали новый код моделирования, в котором мы могли интегрировать миллионы звезд с высокой точностью», – говорит Фудзии.
В ходе конструирования столкновения действительно привели к образованию очень массивных звезд, которые превратились в черные дыры средней массы. «Наша конечная цель – моделирование целых галактик путем разрешения отдельных звезд. Пока еще сложно создавать галактики размером с Млечный Путь, однако можно было бы моделировать галактики меньшего размера, например, карликовые. Мы также хотим исследовать звездные скопления, образовавшиеся в ранней Вселенной. Первые скопления – это также места, где могут рождаться IMBH», – говорит Фудзии, указывая на будущие исследования.
[Фото: Michiko Fujii and Takaaki Takeda. 2024]