Super-masywne czarne dziury (SMBH) są trudne do wyjaśnienia. Uważa się, że te olbrzymie osobliwości znajdują się w centrum każdej dużej galaktyki (nasza Droga Mleczna ma jedną), ale ich obecność czasami nie pozwala na łatwe wytłumaczenie. O ile wiemy, czarne dziury powstają, gdy gigantyczne gwiazdy zapadają się. Ale to wyjaśnienie nie pasuje do wszystkich dowodów.
Teoria gwiezdnego upadku dobrze wyjaśnia większość czarnych dziur. W tej teorii gwiazda, która jest co najmniej pięć razy masywniejsza niż nasze Słońce, zaczyna brakować paliwa pod koniec swojego życia. Ponieważ ciśnienie zewnętrzne fuzji jądrowej gwiazdy jest tym, co podpiera ją przeciw wewnętrznej grawitacji z własnej masy, coś musi dać, gdy skończy się paliwo.
Gwiazda ulega wybuchowi hipernowej, a następnie zapada się w sobie. Pozostała czarna dziura. Astrofizycy uważają, że SMBH zaczynają w ten sposób i rosną do swoich ogromnych rozmiarów, zasadniczo „żywiąc się” inną sprawą. Pęcznieją i siedzą pośrodku grawitacji jak pająk tuczący się na środku sieci.
Problem z tym wyjaśnieniem polega na tym, że zajmuje to dużo czasu.
Tam, we Wszechświecie, naukowcy zaobserwowali starożytne SMBH. W marcu tego roku grupa astronomów ogłosiła odkrycie 83 SMBH, które są tak starożytne, że oparły się naszemu zrozumieniu. W 2017 roku astronomowie odkryli czarną dziurę o masie 800 milionów mas Słońca, która została w pełni uformowana zaledwie 690 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Powstały one we wczesnych dniach Wszechświata, zanim nadszedł czas, aby rozwinąć się w ich supermasywne formy.
Wiele z tych SMBH ma masę miliardów razy większą niż Słońce. Przebywają tak duże przesunięcia ku czerwieni, że musieli powstać w ciągu pierwszych 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Ale to za mało czasu, aby wyjaśnić je model zawalenia gwiazdy. Pytanie, przed którym stoi astrofizyk, brzmi: w jaki sposób te czarne dziury stały się tak duże w tak krótkim czasie?
Para naukowców z Western University w Ontario w Kanadzie uważa, że to wymyślili. Mają nową teorię zwaną „bezpośrednim upadkiem”, która wyjaśnia te niezwykle starożytne SMBH.
Ich praca zatytułowana jest „Funkcja masowa supermasywnych czarnych dziur w scenariuszu bezpośredniego upadku” i jest opublikowana w The Astrophysical Journal Letters. Autorami są Shantanu Basu i Arpan Das. Basu jest uznanym ekspertem we wczesnych stadiach formowania się gwiazd i ewolucji dysku protoplanetarnego. Jest także profesorem astronomii na Western University. Das pochodzi również z Western Department of Physics and Astronomy.
Ich teoria bezpośredniego zapadania się mówi, że starożytne supermasywne czarne dziury powstały niezwykle szybko w bardzo krótkim czasie. Nagle przestali rosnąć. Opracowali nowy model matematyczny, aby wyjaśnić te szybko formujące się, starożytne czarne dziury. Mówią, że granica Eddingtona, która jest równowagą między zewnętrzną siłą promieniowania gwiazdy a wewnętrzną siłą grawitacji, odgrywa rolę.
W tych czarnych dziurach z bezpośrednim zapadaniem się granica Eddingtona reguluje wzrost masy, a naukowcy twierdzą, że te starożytne czarne dziury mogą nawet przekroczyć tę granicę o niewielką ilość, co nazywają akrecją super-Eddington. Następnie, z powodu promieniowania wytwarzanego przez inne gwiazdy i czarne dziury, ich produkcja została zatrzymana.
„Supermasywne czarne dziury miały krótki okres, w którym mogły szybko rosnąć, a następnie w pewnym momencie, z powodu całego promieniowania we wszechświecie wytwarzanego przez inne czarne dziury i gwiazdy, ich produkcja zatrzymała się”, wyjaśnia Basu w Komunikat prasowy. „To scenariusz bezpośredniego upadku”.
„Jest to pośredni dowód obserwacyjny, że czarne dziury pochodzą z bezpośrednich zapadnięć, a nie z pozostałości gwiezdnych”, powiedział Basu.
Ta nowa teoria stanowi skuteczne wyjaśnienie tego, co było drażliwym problemem w astronomii od pewnego czasu. Basu uważa, że tych nowych wyników można użyć w przyszłych obserwacjach, aby wywnioskować historię powstawania niezwykle masywnych czarnych dziur, które istnieją bardzo wcześnie w naszym wszechświecie.
Źródła:
- Informacja prasowa: Badacze rzucają światło na pochodzenie czarnej dziury
- Artykuł badawczy: Funkcja masy supermasywnych czarnych dziur w scenariuszu bezpośredniego upadku
- Space Magazine: Too Big, Too Soon. Monster Black Hole widziany wkrótce po Wielkim Wybuchu
- Uniwersytet Princeton: Astronomowie odkrywają 83 supermasywne czarne dziury we wczesnym wszechświecie
- Wikipedia: Eddington Luminosity (Limit)
