АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 85, № 10, с. 867-878
УДК 524.7-52+524.882+524.85
РАННЕЕ ФОРМИРОВАНИЕ ГАЛАКТИК, ИНИЦИИРОВАННОЕ СКОПЛЕНИЯМИ ЧЕРНЫХ ДЫР
© 2008 г. В. И. Докучаев1, Ю. Н. Ерошенко1, С. Г. Рубин2
1 Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва, Россия 2Московский инженерно-физический институт (технический университет), Москва, Россия Поступила в редакцию 18.05.2007 г.; принята в печать 26.10.2007 г.
Развивается модель образования сверхмассивных черных дыр в центре скопления первичных черных дыр. Предполагается, что часть массы Вселенной, порядка состоит из компактных скоплений
первичных черных дыр, возникших в результате фазовых переходов в ранней Вселенной. Эти скопления также служат центрами конденсации темной материи. Исследуется формирование протогалактик, содержащих скопления черных дыр, с массами порядка 2 х 108 М® при красном смещении г = = 15. В ядрах подобных индуцированных протогалактик содержатся центральные черные дыры с массами ~105 М®, а протогалактики в целом похожи на карликовые сферические галактики с пиком плотности в центре. Последующие слияния индуцированных протогалактик с обычными гало темной материи приводят к стандартной картине формирования крупномасштабной структуры Вселенной. В результате слияния первичных черных дыр образуются сверхмассивные черные дыры в центре галактик и воспроизводится наблюдаемая корреляция между массами черных дыр и дисперсией скоростей в балджах.
PACS: 98.65.Dx, 95.35.+а, 95.35.+а, 95.35.+а, 98.35.Jk, 98.62.Js
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема формирования галактик со сверхмассивными черными дырами (ЧД) в их ядрах становится все более интригующей и неясной в связи с открытием далеких квазаров с красным смещением г > 6 [1]. Максимальное красное смещение г = 6.41 имеет квазар, светимость которого соответствует аккреции вещества на ЧД с массой 3 х 109 [2]. Подобное раннее образование ЧД с массой ~109 М(.5 может оказаться серьезной проблемой для стандартных (галактических) моделей образования ЧД, предполагающих быструю динамическую эволюцию и гравитационный коллапс центральных звездных скоплений в галактических ядрах (см., например, [3—6]), коллапсы сверхмассивных звезд и газовых дисков в галактиках (см., например, [7—10]), многократные слияния ЧД звездных масс в галактиках (см., например, [11 — 14]), многократные слияния галактических ядер при столкновениях галактик в скоплениях (см., например, [15—21]). Все сценарии образования сверхмассивных ЧД в стандартной (галактической) схеме предсказывают достаточно позднее время формирования сверхмассивных ЧД в галактических ядрах и реализуются только в галактиках, которые сильно эволюционировали. По этой причине сценарии с массивными первичными
черными дырами (ПЧД), образовавшимися задолго да формирования галактик [22—26]), требуют детальной разработки. Подобные ПЧД могут быть, в частности, центрами конденсации барионной материи [27], а также темной материи (ТМ) [28, 29] с последующим образованием протогалактик. Имеются две возможности: формирование изначально массивных ПЧД с последующим ростом до масс порядка ~109 М(.-.) благодаря аккреции материи, либо первичное рождение ПЧД небольших масс с их последующим слиянием в сверхмассивную ЧД в процессе иерархического скучивания протогалактик, содержащих ПЧД.
Эффективный механизм формирования массивных ПЧД и их кластеризации был развит в работах [25, 30, 31]. В этих статьях были исследованы свойства сферических скоплений ПЧД. В качестве основного был принят лагранжиан скалярного поля с потенциалом типа "мексиканская шляпа с наклоном". Оказалось, что свойства скоплений ПЧД сильно зависят от величины начальной фазы. Кроме того, эти свойства зависят от наклона потенциала Л и масштаба нарушения симметрии f в начале инфляции, что приводит к существенным вариациям распределения по массам скоплений ПЧД. В предыдущей статье [32] мы выбрали такие параметры модели, при которых образуются
изначально большие скопления ПЧД с массами центральных ЧД х 107 М©, которые увеличиваются благодаря аккреции до масс ~109 М© и, следовательно, объясняют наблюдаемую активность удаленных квазаров.
Разработка механизма формирования первичных массивных черных дыр, лежащего в основе данной статьи, еще далека от завершения. Например, пока еще нет возможности восстановить параметры потенциала и начальные условия по характеристикам кластеров ЧД. Это связано не только с неопределенностью наблюдательных данных, но и со сложностью учета некоторых эффектов. Так, образующиеся полевые стенки имеют топологию сферы, в то время, как ее геометрия является крайне запутанной. После захода такой стенки под горизонт, благодаря внутреннему натяжению, она не только принимает сферическую форму со временем, но и сильно флуктуирует, генерируя гравитационные волны и волны скалярного поля. Это эффективно уменьшает полную энергию стенки, и, следовательно, массу ЧД, которая из нее образуется. Приближенный учет этого эффекта приведен в [30]. Там же показано, что для первичной ЧД произвольной массы и кластера ЧД всегда найдутся такие значения параметров теории и начальных условий, при которых реализуется данная ЧД и данный кластер. Поэтому в данной статье мы не акцентируем внимание на конкретных численных значениях параметров микроскопической теории. Обсуждение влияния несферичности образовавшихся полевых стенок см. в [30, 31].
Значение механизма образования массивных ПЧД, найденного в [25, 30, 31], не ограничивается конкретной формой потенциала. Ниже мы покажем, что самые разные потенциалы, такие, например, как в модели гибридной инфляции, приводят к формированию массивных ПЧД. Более того, оказывается, что не так просто избежать их перепроизводства в ранней Вселенной. Фактически, рассмотрение любой инфляционной модели, использующей потенциал с двумя или более минимумами, должно учитывать этот механизм.
В данной статье мы выбрали такие параметры потенциала, которые приводят к относительно маленьким скоплениям ПЧД. Предполагается, что именно эти скопления могут играть существенную роль в формировании начальных флуктуаций плотности, эволюционирующие затем в протогалакти-ки. Их слияние с гораздо более многочисленными протогалактиками обычного типа приводят к наблюдаемой крупномасштабной структуре. Мы рассматриваем динамику темной материи и скопления ПЧД в их совместном гравитационном поле. Оказывается, что протогалактика в таком случае может образоваться и без начальной флуктуации плотности темной материи. Оба сценария формирования
сверхмассивных ЧД могут сосуществовать: массивные скопления приводят к ранней активности квазаров [32], а менее массивные (рассмотренные в данной статье) скопления ответственны за более многочисленные сверхмассивные ЧД, наблюдаемые в большинстве структурированных галактик.
В нашем сценарии имеется несколько стадий формирования черных дыр и галактик.
1. Образование замкнутых стенок скалярного поля сразу после окончания инфляции и их коллапс в скопление ПЧД согласно [25, 30]. Наиболее массивная ПЧД образуется в центре скопления после пересечения космологического горизонта.
2. Отделение центральной плотной области скопления от космологического расширения и его вириализация. Большое количество менее массивных ПЧД, окружающих центральную ПЧД, сливаются с ней, увеличивая ее массу.
3. Отделение внешних областей скопления, в которых доминирует темная материя, от космологического расширения и рост протогалактики. Прекращение роста протогалактики благодаря взаимодействию с обычными флуктуациями темной материи.
4. Охлаждение газа и звездообразование, слияние протогалактик и формирование современных галактик.
2. ОБРАЗОВАНИЕ ПЕРВИЧНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР В ГИБРИДНОЙ ИНФЛЯЦИИ
На примере модели гибридной инфляции, рассмотрим механизм образования массивных ПЧД, предложенный в [33]. Согласно [34], потенциал в модели гибридной инфляции имеет форму
V(х,а) = к2 (М2 - Х2/4)2 +
+ — XV + ~т2а2.
(1)
Инфляция длится, пока поле медленно движется по долине х = 0, а > ас. Когда поле а проходит критическую точку
ас = у/2-М,
движение вдоль линии х = 0, а < ас становится нестабильным и поле х быстро достигает одного из минимумов х± = ±2М, а = 0 (рис. 1). Инфляция заканчивается интенсивными флуктуациями поля в области случайно выбранного минимума. Тем не менее, эта хорошо изученная картина имеет серьезный недостаток. Во время инфляционной стадии, когда поля а, х движутся вдоль линии х = = 0, пространство разделяется на множество причинно несвязанных областей. Благодаря квантовым флуктуациям скалярные поля в этих областях
2
Рис. 1. Потенциал модели гибридной инфляции. Стрелки указывают направление классического движения поля.
несколько отличаются друг от друга. В течение каждого "е-фолдинга" образуется примерно е3 ~ ~ 20 таких доменов. Так что на момент окончания инфляции пространство разделено на е & & 1078 причинно-несвязанных доменов. Величины скалярного поля в них распределены хаотически вокруг значения % = 0, а = ас. Домены, в которых % < 0, стремятся к левому минимуму %_ = —2М, а = 0, а остальные — к правому %+ = = +2М, а = 0. Между доменами образуется множество полевых стенок, и мы приходим к известной проблеме стеночной доминантности во Вселенной [35].
Единственная возможность для нашей Вселенной эволюционировать в современное состояние заключается в том, что в начале инфляции начальное значение поля отличалось от нуля: %;п = = 0. В ходе инфляции поле % должно медленно приближаться к критической линии % = 0. Если на промежуточной стадии среднее значение поля при-
близится к критической линии % = 0, флуктуации поля в некоторых пространственных доменах пересекут ее. В будущем эти области будут заполнены вакуумом, например, %_, и окружены пространством, заполненным другим вакуумом — %+. Оба вакуума отделены стенками, как обсуждалось выше. Число таких замкнутых стенок сильно зависит от начальных условий в момент образования нашей Вселенной.
Оценим энергию и размер замкнутых стенок. Предположим, что поле в некотором объеме пересекает критическую линию за N е-фолдингов до окончания инфляции. Разме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.