Coraz powszechniejszy jest pogląd, że czarne dziury we wczesnym wszechświecie mogły być nasionami, wokół których po raz pierwszy wyrosła większość dzisiejszych dużych galaktyk (teraz z supermasywnymi czarnymi dziurami). Cofając się jeszcze o krok wstecz, może się zdarzyć, że czarne dziury były kluczem do reionizacji wczesnego ośrodka międzygwiezdnego - co następnie wpłynęło na strukturę na dużą skalę dzisiejszego wszechświata.
Reasumując te wczesne lata… Najpierw był Wielki Wybuch - i przez około trzy minuty wszystko było bardzo zwarte, a zatem bardzo gorące - ale po trzech minutach powstały pierwsze protony i elektrony, a przez następne 17 minut część tych protonów oddziałuła tworząc jądra helu - aż do 20 minut po Wielkim Wybuchu rozszerzający się wszechświat stał się zbyt chłodny, aby utrzymać nukleosyntezę. Stamtąd protony i jądra helu oraz elektrony odbijały się przez następne 380 000 lat jako bardzo gorąca plazma.
Były też fotony, ale te fotony miały niewielkie szanse na zrobienie czegokolwiek oprócz stworzenia się, a następnie natychmiastowego wchłonięcia przez sąsiednią cząsteczkę w tej gorącej plazmie. Ale po 380 000 lat rozszerzający się wszechświat ochłodził się wystarczająco, by protony i jądra helu mogły się połączyć z elektronami, tworząc pierwsze atomy - i nagle fotony pozostały puste miejsce, w którym strzelają jako pierwsze promienie świetlne - które dziś wciąż może wykryć kosmiczne tło mikrofalowe.
Potem nastąpiły tak zwane ciemne wieki, aż do około pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu zaczęły powstawać pierwsze gwiazdy. Jest prawdopodobne, że te gwiazdy były duże, jak naprawdę duże, ponieważ chłodne, stabilne atomy wodoru (i helu) są łatwo agregowane i gromadzone. Niektóre z tych wczesnych gwiazd mogły być tak duże, że szybko rozwiały się na kawałki jako supernowe o niestabilności parowej. Inne były po prostu bardzo duże i zapadły się w czarne dziury - wiele z nich ma zbyt dużą grawitację, aby wybuch supernowej mógł wysadzić dowolny materiał z gwiazdy.
I tu właśnie zaczyna się historia reionizacji. Chłodne, stabilne atomy wodoru wczesnego ośrodka międzygwiezdnego nie pozostawały chłodne i stabilne przez bardzo długi czas. W mniejszym wszechświecie pełnym gęsto upakowanych masywnych gwiazd, atomy te zostały szybko podgrzane, powodując dysocjację elektronów, a ich jądra ponownie stały się wolnymi jonami. To stworzyło plazmę o niskiej gęstości - wciąż bardzo gorącą, ale zbyt rozproszoną, aby była nieprzezroczysta, by świecić.
Jest prawdopodobne, że ten etap rejonizacji ograniczy rozmiar, do którego mogłyby wyrosnąć nowe gwiazdy - a także ograniczy możliwości wzrostu nowych galaktyk - ponieważ gorące, wzbudzone jony rzadziej gromadzą się i gromadzą niż chłodne, stabilne atomy. Reionizacja mogła przyczynić się do obecnego „skupionego” rozkładu materii - który jest zorganizowany w ogólnie duże, dyskretne galaktyki, a nie w równomierny rozkład gwiazd na całym świecie.
Sugerowano, że wczesne czarne dziury - w rzeczywistości czarne dziury w wysokiej masie binariów rentgenowskich - mogły znacząco przyczynić się do reionizacji wczesnego wszechświata. Modelowanie komputerowe sugeruje, że wczesny wszechświat, z tendencją do bardzo masywnych gwiazd, miałby znacznie większe szanse na posiadanie czarnych dziur jako gwiezdnych pozostałości, niż gwiazd neutronowych lub białych karłów. Te czarne dziury częściej byłyby w układach podwójnych niż w izolacji (ponieważ masywne gwiazdy częściej tworzą wiele układów niż małe gwiazdy).
Tak więc z ogromnym układem podwójnym, w którym jednym składnikiem jest czarna dziura - czarna dziura szybko zacznie gromadzić duży dysk akrecyjny złożony z materii pobranej z drugiej gwiazdy. Wtedy dysk akrecyjny zacznie emitować fotony o wysokiej energii, szczególnie przy poziomach energii promieniowania rentgenowskiego.
Chociaż liczba fotonów jonizujących emitowanych przez akrecyjną czarną dziurę jest prawdopodobnie podobna do liczby jej jasnej, świecącej gwiazdy progenitorowej, można by oczekiwać, że wyemituje znacznie większy odsetek wysokoenergetycznych fotonów rentgenowskich - przy każdym z tych fotonów potencjalnie ogrzewającym się i jonizuje wiele atomów na swojej drodze, podczas gdy foton świecącej gwiazdy może reionizować tylko jeden lub dwa atomy.
Więc proszę bardzo. Czarne dziury… czy jest coś, czego nie mogą zrobić?
Dalsza lektura: Mirabel i wsp. Stellar czarne dziury u zarania wszechświata.
