Спросите Итана №44: Что Появилось Раньше – Сверхмассивные Черные Дыры Или Галактики?

Нужно быть оптимистом – надеяться, что несколько новых результатов измерений откроют новые территории для теоретиков.
Джим Пиблз Читатель спрашивает:
Что появилось раньше: черные дыры в центре спиральных галактик или сами галактики?
Недавно мы рассмотрели самые большие и самые маленькие черные дыры во Вселенной, и это дает нам возможность взглянуть на порядок формирования различных структур во Вселенной.
Вот как выглядит Вселенная в большом масштабе: В настоящее время Вселенная содержит от нескольких сотен миллиардов до триллиона галактик с массами от 0,01% Млечного Пути до 1000 масс нашей галактики.
Скопления организованы в космическую структуру, напоминающую паутину, со сверхскоплениями, пересечениями волокон и огромными пустыми пространствами диаметром в десятки миллионов световых лет. Видимая часть Вселенной простирается от нас на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях.
Но так было не всегда — такого даже близко не было.
В самом начале все было однородно.
Лишь спустя миллиарды лет Вселенная стала напоминать свою нынешнюю форму.
Чтобы правильно ответить на вопрос о черных дырах, важно думать о Вселенной в больших масштабах, даже если на первый взгляд эти темы могут показаться не связанными друг с другом.
Почему? Потому что если мы задаемся вопросом, что появилось раньше, черная дыра или галактика, в которой она позже образовалась, то мы фактически спрашиваем: эволюционировала ли Вселенная от малых структур к крупным или наоборот?

На протяжении десятилетий дискуссию на эту тему вели преимущественно американские и советские учёные.
Первые предпочитали подход «снизу вверх», вторые – подход «сверху вниз».
В чем разница: Снизу вверх: Вселенная началась с сильных флуктуаций в малых масштабах, а не в больших.
Чрезмерно плотные области со временем разрастались, что приводило к появлению сгустков, которые росли, объединялись и слипались вместе, а затем превращались в большие галактики и скопления.
В этом сценарии сначала образовались черные дыры вместе с большими скоплениями звезд, и только намного позже они превратились в то, что стало галактиками.
Сверху вниз: Вселенная началась с сильных флуктуаций в больших масштабах, а не в маленьких.
Слишком плотные и большие регионы испытали гравитационный коллапс и превратились из зубчатых эллипсоидов в блины, превратившиеся в галактики.
Позже галактики эволюционировали и в своих центрах выросли черные дыры.
В этом сценарии сначала сформировались галактики.
Очень долгое время не было доказательств того, какой подход правильный.

Ситуация начала меняться, когда мы обнаружили и измерили остаточное свечение от Большого взрыва, которое дало нам много информации как о ранней Вселенной, так и о структуре нынешней.
Вы, наверное, знаете, что Вселенная состоит в основном из темной энергии и темной материи, причем обычная материя составляет лишь несколько процентов, а излучение, или энергия фотонов, вообще составляет 0,01%.
Мы знаем это из совокупности доказательств, в основном из фонового микроволнового излучения, наблюдений крупномасштабных структур и измерений Вселенной на больших расстояниях.

Это показывает различные энергетические компоненты Вселенной.
Эта информация очень важна для понимания его эволюции.
Но мы также можем, изучая структуру Вселенной в больших масштабах (благодаря методу БАО, или барионным акустическим колебаниям, и микроволновому фоновому излучению), узнать о масштабах и силе первоначальных колебаний Вселенной.
Произошли ли они в больших, малых масштабах или произошли одновременно? И с какой силой? Какая его часть возникает в результате гравитационных и электромагнитных взаимодействий, произошедших после Большого взрыва, и как они первоначально распределялись? Микроволновое фоновое излучение может многое рассказать обо всем этом.

В частности, исходная картина распределения флуктуаций была масштабно-инвариантной, т. е.
флуктуации примерно равной силы происходили на всех масштабах, как больших, так и малых.
Распределения колебаний в правой части графика (картинка ниже) стали такими из-за взаимодействия темной и обычной материи с излучением, произошедшего под действием гравитации.

Но именно левая плоская часть графика, соответствующая крупным масштабам, показывает отсутствие наклона кривой.
Отсюда следует, что в сочетании с данными правой части графика можно сделать вывод, что Вселенная родилась с флуктуациями примерно равной силы как на больших, так и на малых масштабах.
Это известно уже около 15 лет. Недавние данные проектов WMAP и Planck лишь подтвердили складывающуюся картину.
Прочитав все это, вы можете решить, что ответ на вопрос остается неизвестным.
Но есть еще одна часть загадки, которая рассказывает нам о формировании структур во Вселенной – и она может дать нам ответ. Несмотря на то, что предпосылки для структур существуют на всех масштабах и способствуют, развитие событий «сверху вниз» не играет особой роли в связи с тем, что скорость распространения гравитации во Вселенной конечна.

Области высокой плотности в небольших масштабах могут довольно быстро начать притягивать дополнительную материю, поскольку гравитация распространяется со скоростью света.
С другой стороны, структуры больших масштабов не могут меняться быстро: структурам размером в десятки миллионов световых лет приходится ждать десятки миллионов лет, чтобы ощутить силу гравитации.
Другими словами, свою роль играют как нисходящий, так и восходящий сценарии, но восходящий сценарий, будучи относительно небольшим, имеет преимущество в миллионы лет. А первые звезды во Вселенной начали формироваться не позднее, чем через 100 миллионов лет после Большого взрыва.

Среди этих звезд Населения III, первых звезд, образовавшихся во Вселенной из первичного водорода и гелия, будут массивные, которые превратятся в первые черные дыры во Вселенной.
И этот процесс не меняется со временем – когда возникнет большое скопление новых звезд, все самые тяжелые из них (самые яркие, синие и горячие) закончатся катастрофой, а их ядра схлопнутся в черные дыры.
В самых крайних случаях эти звезды могут иметь массу в сотни раз большую, чем у Солнца, и в результате рождать очень большие черные дыры всего через несколько миллионов лет после своего создания.

Итак, насколько нам известно, во Вселенной сначала образовались звезды и черные дыры, а затем вокруг них появились галактики путем объединения этих небольших областей.
Со временем они превратились в сверхмассивные черные дыры и крупные галактики, которые мы наблюдаем сейчас.
Но для этого требовались первоначальные колебания, сравнимые по мощности как в больших, так и в малых масштабах.
Это означает, что лучший ответ на вопрос заключается в том, что первыми образовались зародыши сверхмассивных черных дыр и галактик, и произошло это примерно в одно и то же время.
Но эти черные дыры изначально были довольно большими и сумели вырасти до тысяч солнечных масс, прежде чем их окружение можно было назвать галактиками.
И получается, что первыми образовались черные дыры — но в тех регионах, которые после слияния превратились в галактики.