Musimy porozmawiać o ciemnych wiekach. Nie niete ciemne wieki po upadku zachodniego Cesarstwa Rzymskiego. I musimy porozmawiać o kosmicznym świcie: narodzinach pierwszych gwiazd, burzliwej epoce, która całkowicie zmieniła oblicze kosmosu w jego nowoczesną formę.
Te pierwsze gwiazdy mogły być zupełnie inne niż wszystko, co widzimy we współczesnym wszechświecie. I możemy, jeśli będziemy mieli szczęście, być bliscy zobaczenia ich po raz pierwszy.
Najpierw musimy ustalić małą tajemnicę.
Wszyscy już wiemy, jak powstają czarne dziury. Gigantyczna gwiazda, gdzieś na północ od ośmiu mas Słońca, żyje swoim krótkim, ale przewidywalnym życiem, łącząc wodór w hel. Potem zaczyna brakować wodoru i zaczyna się topić hel. Potem kończy mu się hel i zaczyna palić cięższe rzeczy, wspinając się po układzie okresowym, aż uderzy w żelazo. Topiące się żelazo wysysa energię zamiast uwalniać energię, więc nic nie jest w stanie powstrzymać strasznego zapadnięcia się grawitacji gwiazdy. Wszystko zostaje ściśnięte do niewielkiej objętości, a teraz masz czarną dziurę.
Z czasem ta czarna dziura może spotkać się i zjadać inne czarne dziury lub po prostu ssać otaczający materiał międzygwiezdny, zwiększając przez cały czas jego mięsistość. Mając wystarczająco dużo czasu i wystarczającej ilości jedzenia, czarna dziura może puchnąć, by stać się gigantem - supermasywnym gigantem. Te stworzenia czają się w sercach galaktyk i z łatwością przechylają łuski ponad milion razy więcej niż masa naszego Słońca.
Nowy materiał wciąż napływa - tylko dlatego, że czarna dziura jest gigantyczna, nie oznacza to, że jej głód jest zaspokojony - a gdy gaz wpada do otwartej paszczy czarnej dziury, ściska się i nagrzewa, jaśniejąc jaśniej niż galaktyka gwiazdy. Obiekt ten nosi kilka nazw - kwazar, blazar, aktywne jądro galaktyczne - ale wszystkie one oznaczają to samo: gigantyczna czarna dziura jestkarmienie.
To wszystko dobrze, dobrze i trochę przerażająco, ale tu jest problem. Widzimy kwazary w bardzo odległym wszechświecie, co oznacza, że widzimy kwazary w samym świeciemłody wszechświat, kiedy nie miał nawet miliarda lat (tak, to jest wszechświat młody). A proces, który właśnie opisałem powyżej (formowanie dużych gwiazd, pozwalanie im żyć i umrzeć, tworzenie czarnej dziury, pozwalanie jej karmić się do gigantycznych rozmiarów) trwa znacznie dłużej niż miliard lat.
Jak nasz wszechświat tak szybko stworzył czarne dziury potworów?
Jeśli zwykła trasa gwiazda> czarna dziura> quasar nie wydaje się działać we wczesnym wszechświecie, nadszedł czas, aby rozważyć alternatywy. Skróty Szybsze drogi do tworzenia wielkich czarnych dziur, których wymagają nasze obserwacje. Najszybszym sposobem na stworzenie supermasywnej czarnej dziury jest rozpoczęcie od supermasywnej gwiazdy.
Jak supermasywny? Co powiesz na około 100 000 mas Słońca?
Takie gwiazdy po prostu nie istnieją w dzisiejszym wszechświecie. Jeśli spróbujesz to wszystko wcisnąćrzeczy w wystarczająco zwartą objętość, aby zamienić ją w gwiazdę, interakcje i niestabilność spowodują rozdrobnienie jej, tak jak bardzo kruszące się ciastko w twoich rękach, tworząc wiele normalnych gwiazd zamiast jednego potwora. Właśnie dlatego uważamy, że gwiazdy o masie ponad 100 mas słonecznych są dziś niezwykle rzadkie.
Ale era kosmicznego świtu była inna. Po pierwsze, nie istniały jeszcze ciężkie pierwiastki - kuźnie nuklearne nie działały wystarczająco długo, aby zanieczyścić międzygwiezdne drogi wodne. Promieniowanie z tych dodatkowych elementów jest świetnym sposobem na ochłodzenie chmury gazu i wywołanie jej fragmentacji na mniejsze fragmenty. Po drugie, młody kosmos został zalany wysokoenergetycznym promieniowaniem ultrafioletowym z powodu nagłych narodzin innych, mniejszych gwiazd. Promieniowanie to rozbija wodór molekularny, kolejny kluczowy szlak chłodzenia i fragmentacji gigantycznej chmury gazowej.
Tak więc, chociaż znów są rzadkie, warunki mogły być właśnie pod koniec kosmicznych ciemnych epok, aby utworzyć gigantyczne, a nawet supergiantowe gwiazdy: wystarczająca ilość materiału mogłaby przepłynąć do wystarczająco małej objętości bez rozpadu, dając początek wielkiej gwiazdy.
Te gigantyczne gwiazdy wiodłyby krótkie życie i rozpadały się bezpośrednio, tworząc duże czarne dziury, skracając zwykłą drogę do robienia kwazarów.
To brzmi jak świetny pomysł, ale w nauce świetne pomysły muszą skonfrontować dowody, zanim zaczniemy w nie wierzyć. W takim przypadku dobrze byłoby mieć zdjęcie jednej z tych gigantycznych gwiazd przed zamieniły się w czarne dziury, a następnie w kwazary.
To trudne, ponieważ wiek, w którym te gwiazdy żyły i umarły, jest daleko od nas. A te gwiazdy, choć wciąż gigantyczne według standardów gwiezdnych, były bardzo bardzo małe, co czyni je jeszcze trudniej dostrzec w tak ekstremalnych odległościach.
Ale tym razem możemy mieć szczęście. Ostatnie symulacje tych dziwnych gwiazd ujawniają, że są one zaskakująco chłodne, mają temperaturę powierzchni pomiędzy 6000 a 8000 Kelwinów, nadając ich powierzchniom intensywny czerwony blask. Ze względu na ich niesamowitą masę są bardzo jasne, tryskające światłem o intensywności dziesięciu miliardów słońc. Ta kombinacja jasności i głębokiego zaczerwienienia oznacza, że są one potencjalnie widoczne w zakresie długości fal podczerwieni w nadchodzących misjach.
Misje takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, instrument zaprojektowany specjalnie do polowania na pierwsze gwiazdy. Jeśli w tych dawno minionych epokach istniały gwiazdy nadprzyrodzone, a niektóre z nich miały szczęście przetrwać w epoce, w której ich bracia już zaczęli przekształcać się w czarne dziury potworów, przybliżając je tylko odrobinę bliżej, istnieje szansa, że możemy bezpośrednio zrób ich zdjęcie.
Co za widok.
Czytaj więcej: „O wykryciu supermasywnych gwiazd pierwotnych”
