Jak powstały pierwsze supermasywne czarne dziury Wszechświata? Nowy model ewolucji galaktyk i czarnych dziur pokazuje kolizje, które pokazują, że zderzające się galaktyki prawdopodobnie zrodziły czarne dziury, które powstały około 13 miliardów lat temu. Odkrycie to uzupełnia brakujący rozdział wczesnej historii naszego wszechświata i może pomóc napisać następny rozdział - w którym naukowcy lepiej rozumieją, w jaki sposób grawitacja i ciemna materia tworzyły wszechświat, jaki znamy.
Po niedawnym odkryciu, że galaktyki powstały znacznie wcześniej w historii Wszechświata, niż wcześniej sądzono, Stelios Kazantzidis z Uniwersytetu Stanowego w Ohio i jego zespół stworzyli nowe symulacje komputerowe, które pokazują, że pierwsze w historii supermasywne czarne dziury powstały prawdopodobnie, gdy zderzyły się wczesne galaktyki i połączyły się. Stało się to prawdopodobnie w ciągu pierwszych kilku miliardów lat po Wielkim Wybuchu.
„Nasze wyniki stanowią nowy kamień milowy w ważnej realizacji tego, jak kształtuje się struktura we wszechświecie” - powiedział Kazantzidis.
Wcześniej astronomowie uważali, że galaktyki ewoluowały hierarchicznie, gdzie grawitacja najpierw przyciągała małe kawałki materii, a te małe kawałki stopniowo zrastały się, tworząc większe struktury.
Ale nowe modele obalają to pojęcie.
„Wraz z tymi innymi odkryciami nasz wynik pokazuje, że duże struktury - zarówno galaktyki, jak i masywne czarne dziury - szybko budują się w historii wszechświata” - powiedział. „O dziwo, jest to sprzeczne z tworzeniem struktury hierarchicznej. Paradoks zostaje rozwiązany, gdy uświadomimy sobie, że ciemna materia rośnie hierarchicznie, ale zwykła materia nie. Normalna materia, z której składają się widoczne galaktyki i supermasywne czarne dziury, zapada się bardziej efektywnie, i było to prawdą również wtedy, gdy wszechświat był bardzo młody, powodując antyhierarchiczne formowanie się galaktyk i czarnych dziur. ”
Oznacza to, że duże galaktyki i supermasywne czarne dziury szybko się łączą, a mniejsze fragmenty, takie jak nasza galaktyka Drogi Mlecznej - i stosunkowo mała czarna dziura w środku - tworzą się wolniej. Kazantzidis powiedział, że galaktyki, które utworzyły te pierwsze supermasywne czarne dziury, wciąż istnieją.
Nowe symulacje przeprowadzone na superkomputerach były w stanie rozwiązać funkcje, które były 100 razy mniejsze, i ujawniły szczegóły w sercu połączonych galaktyk w skali krótszej niż rok świetlny.
Z tego powodu astronomowie mogli zobaczyć dwie rzeczy: po pierwsze, gaz i pył w centrum galaktyk skondensowane z utworzeniem ciasnego dysku jądrowego. Potem dysk stał się niestabilny, a gaz i pył ponownie się skurczyły, tworząc jeszcze gęstszą chmurę, która ostatecznie zrodziła super-masywną czarną dziurę.
Kazantzidis powiedział, że implikacje dla kosmologii są dalekosiężne.
„Na przykład standardowy pomysł - że właściwości galaktyki i masa jej centralnej czarnej dziury są powiązane, ponieważ obie rosną równolegle - będzie musiał zostać zmieniony. W naszym modelu czarna dziura rośnie znacznie szybciej niż galaktyka. Być może czarna dziura w ogóle nie jest regulowana przez wzrost galaktyki. Możliwe, że galaktyka jest regulowana przez wzrost czarnej dziury. ”
Ten nowy model może również pomóc astronomom, którzy szukają nieba, bezpośrednich dowodów teorii ogólnej teorii względności Einsteina: fal grawitacyjnych.
Zgodnie z ogólną teorią względności wszelkie połączenia starożytnych galaktyk wytworzyłyby ogromne fale grawitacyjne - zmarszczki w kontinuum czasoprzestrzennym - których resztki powinny być nadal widoczne.
Nowe detektory fal grawitacyjnych, takie jak kosmiczna antena laserowa interferometru NASA, zostały zaprojektowane do bezpośredniego wykrywania tych fal i otwierają nowe okno na zjawiska astrofizyczne i fizyczne, których nie można zbadać w inny sposób.
Naukowcy będą musieli dowiedzieć się, w jaki sposób supermasywne czarne dziury powstały we wczesnym wszechświecie i jak są dziś rozmieszczone w przestrzeni kosmicznej, aby interpretować wyniki tych eksperymentów. Nowe symulacje komputerowe powinny dostarczyć wskazówek.
Zobacz ten link, aby obejrzeć filmy przedstawiające modele zderzeń galaktyk.
Źródło: Ohio State University
