Co karmiło wczesne czarne dziury, umożliwiając ich bardzo szybki wzrost? Nowe odkrycie dokonane przez naukowców z Carnegie Mellon University przy użyciu kombinacji symulacji superkomputera i technologii GigaPan Time Machine pokazuje, że dieta kosmicznego „fast foodu” (cienkie strumienie zimnego gazu) płynęła w sposób niekontrolowany do centrum pierwszych czarnych dziur, powodując aby były „ponadwymiarowe” i rosły szybciej niż cokolwiek innego we Wszechświecie.
Kiedy nasz Wszechświat był młody, niespełna miliard lat po Wielkim Wybuchu, galaktyki dopiero zaczynały się formować i rosnąć. Według wcześniejszych teorii czarne dziury w tym czasie powinny być równie małe. Dane z Sloan Digital Sky Survey wykazały, że jest inaczej - supermasywne czarne dziury istniały już 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
„Badanie Sloan Digital Sky Survey wykazało, że supermasywne czarne dziury mają mniej niż 1 miliard lat. Były one tego samego rozmiaru co dzisiejsze najbardziej masywne czarne dziury, które mają 13,6 miliarda lat ”, powiedziała Tiziana Di Matteo, profesor fizyki (Carnegie Mellon University). „To była łamigłówka. Dlaczego niektóre czarne dziury powstają tak wcześnie, gdy potrzeba całej epoki Wszechświata, aby inni osiągnęli tę samą masę? ”
Supermasywne czarne dziury to największe istniejące czarne dziury - ważące miliardy razy masę Słońca. Większość „normalnych” czarnych dziur jest tylko około 30 razy masywniejsza niż Słońce. Obecnie akceptowanym mechanizmem tworzenia supermasywnych czarnych dziur jest połączenie galaktyczne. Jednym z problemów związanych z tą teorią i jej zastosowaniem do wczesnych supermasywnych czarnych dziur jest to, że we wczesnym Wszechświecie nie było wielu galaktyk i były zbyt odległe od siebie, aby się połączyć.
Rupert Croft, profesor fizyki (Carnegie Mellon University), zauważył: „Jeśli napiszesz równania, w jaki sposób powstają galaktyki i czarne dziury, nie wydaje się możliwe, aby te ogromne masy mogły powstać tak wcześnie, ale patrzymy w niebo i tam są. ”
W celu zrozumienia procesów, które powstały we wczesnych supermasywnych czarnych dziurach, Di Matteo, Croft i Khandai stworzyli MassiveBlack - największą jak dotąd kosmologiczną symulację. Celem MassiveBlack jest dokładna symulacja pierwszych miliardów lat naszego wszechświata. Di Matteo, opisując MassiveBlack, zauważył: „Ta symulacja jest naprawdę gigantyczna. Jest największy pod względem poziomu fizyki i faktycznej objętości. Zrobiliśmy to, ponieważ byliśmy zainteresowani spojrzeniem na rzadkie rzeczy we wszechświecie, takie jak pierwsze czarne dziury. Ponieważ są tak rzadkie, musisz przeszukać dużą przestrzeń ”.
Croft i zespół rozpoczęli symulacje przy użyciu znanych modeli kosmologii opartych na teoriach i prawach współczesnej fizyki. „Nie włożyliśmy nic w szaleństwo. Nie ma magicznej fizyki, żadnych dodatkowych rzeczy. To ta sama fizyka, która tworzy galaktyki w symulacjach późniejszego wszechświata - powiedział Croft. „Ale w magiczny sposób pojawiają się te wczesne kwazary. Nie wiedzieliśmy, że się pojawią. To było niesamowite mierzyć ich masy i mówić „Wow! Są to dokładnie odpowiedni rozmiar i pokazują się dokładnie we właściwym momencie. „To historia sukcesu współczesnej teorii kosmologii”.
Dane z MassiveBlack zostały dodane do projektu GigaPan Time Machine. Łącząc dane MassiveBlack z projektem GigaPan Time Machine, badacze mogli oglądać symulację tak, jakby to był film - łatwo przesuwając się po symulowanym wszechświecie podczas jego tworzenia. Gdy zespół zauważył wydarzenia, które wydawały się interesujące, byli także w stanie powiększyć widok, aby zobaczyć wydarzenia bardziej szczegółowo niż to, co mogli zobaczyć w naszym wszechświecie za pomocą teleskopów naziemnych lub kosmicznych.
Kiedy zespół zbliżył się do stworzenia pierwszych supermasywnych czarnych dziur, zobaczył coś nieoczekiwanego. Normalne obserwacje pokazują, że gdy zimny gaz przepływa w kierunku czarnej dziury, jest podgrzewany w wyniku zderzeń z innymi pobliskimi cząsteczkami gazu, a następnie ochładza się przed wejściem do czarnej dziury. Proces ten, znany jako „ogrzewanie uderzeniowe”, powinien był powstrzymać wczesne czarne dziury przed dotarciem do obserwowanych mas. Zamiast tego zespół zaobserwował cienkie strumienie zimnego gęstego gazu przepływające wzdłuż „włókien” widoczne w badaniach na dużą skalę, które ujawniają strukturę naszego wszechświata. Włókna pozwoliły gazowi płynąć bezpośrednio do środka czarnych dziur z niesamowitą prędkością, zapewniając im zimne, szybkie jedzenie. Stałe, ale niekontrolowane zużycie zapewnia mechanizm, w którym czarne dziury rosną znacznie szybciej niż ich galaktyki-gospodarze.
Odkrycia zostaną opublikowane w Astrophysical Journal Letters.
Jeśli chcesz przeczytać więcej, zapoznaj się z poniższymi artykułami (przez Physics arXiv):
Terapikselowe obrazowanie symulacji kosmologicznych
Formacja galaktyk Hosting z ~ 6 kwazarów
Wczesne czarne dziury w symulacjach kosmologicznych
Zimne przepływy i pierwsze kwazary
Dowiedz się więcej o Gigapan i MassiveBlack na: http://gigapan.org/gigapans/76215/ i http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Źródło: Komunikat prasowy Uniwersytetu Carnegie Mellon
