Astronomowie znaleźli bardzo stare supermasywne czarne dziury, które powstały, gdy Wszechświat był dość młody. Ale zastanawiali się, jak czarna dziura może osiągnąć tak ogromne rozmiary, gdy sam Wszechświat był tylko małym dzieckiem.
Astronomowie odkryli teraz, że unikalny zestaw warunków był obecny pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu, który pozwolił na utworzenie się tych czarnych dziur. Niezwykłe źródło intensywnego promieniowania stworzyło tak zwane „czarne dziury bezpośrednio zapadające się”.
„To kosmiczny cud” - powiedział Volker Bromm z University of Texas w Austin, który przy odkryciu pracował z kilkoma astronomami. „To jedyny raz w historii wszechświata, kiedy warunki są dla nich odpowiednie.”
Konwencjonalne rozumienie, w jaki sposób powstają czarne dziury, nazywa się teorią akrecji, w której niezwykle masywna gwiazda zapada się, a „ziarna” czarnej dziury buduje się po zapadnięciu się poprzez wciągnięcie gazu z ich otoczenia i połączenie mniejszych czarnych dziur. Ale proces ten zajmuje dużo czasu, znacznie dłużej niż czas, w którym szybko powstały czarne dziury. Ponadto wczesny wszechświat nie miał wystarczającej ilości gazu i pyłu, aby supermasywne czarne dziury urosły do swoich gigantycznych rozmiarów.
Nowe odkrycia sugerują natomiast, że niektóre z pierwszych czarnych dziur powstały bezpośrednio, gdy chmura gazu zapadła się, omijając wszelkie inne fazy pośrednie, takie jak tworzenie się i późniejsze niszczenie masywnej gwiazdy.
Oczywiście, jak każda czarna dziura, te czarne dziury „bezpośredniego zapadnięcia” nie są widoczne. Ale istniały mocne dowody na ich istnienie, ponieważ są one potrzebne do zasilania wysoce świecących kwazarów wykrytych w młodym wszechświecie. Wielka jasność kwazara pochodzi z materii spiralnej przechodzącej w supermasywną czarną dziurę, ogrzewającą się do milionów stopni, tworząc strumienie, które lśnią jak latarnie wszechświatowe. Ale ponieważ teoria akrecji nie wyjaśnia supermasywnych czarnych dziur w bardzo odległym - a zatem młodym - wszechświecie, astronomowie nie byli w stanie wyjaśnić kwazarów. Nazywa się to „problemem ziaren kwazara”.
„Kwasary zaobserwowane we wczesnym wszechświecie przypominają gigantyczne dzieci w pokoju porodowym pełnym normalnych niemowląt”, powiedział Avi Loeb z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, który współpracował z Brommem. „Pozostaje pytanie: co jest szczególnego w środowisku, które pielęgnowało te gigantyczne dzieci? Zazwyczaj zbiornik zimnego gazu w pobliskich galaktykach, takich jak Droga Mleczna, jest zużywany głównie przez powstawanie gwiazd. ”
Ale w 2003 r. Bromm i Loeb wpadli na teoretyczny pomysł, aby uzyskać wczesną galaktykę, by utworzyć supermasywną czarną dziurę, poprzez tłumienie zaporowego źródła energii powstającego w wyniku formowania się gwiazd. Nazwali ten proces „bezpośrednim załamaniem”.
„Zacznij od„ pierwotnej chmury wodoru i helu, nasyconej morzem promieniowania ultrafioletowego ”- powiedział Bromm. „Chrupiesz tę chmurę w polu grawitacyjnym halo ciemnej materii. Zwykle chmura byłaby w stanie ochłodzić się i rozproszyć, tworząc gwiazdy. Jednak fotony ultrafioletowe utrzymują gaz w cieple, co tłumi powstawanie gwiazd. Są to pożądane, niemal cudowne warunki: upadek bez fragmentacji! Gdy gaz staje się coraz bardziej zwarty, w końcu masz warunki do powstania ogromnej czarnej dziury. ”
Wydaje się, że ten zestaw warunków kosmicznych istniał tylko we wczesnym wszechświecie, a proces ten nie zachodzi dziś w galaktykach.
Aby przetestować swoją teorię, Bromm, Loeb i ich kolega Aaron Smith zaczęli badać galaktykę o nazwie CR7, zidentyfikowaną w badaniu kosmicznym Teleskopu Kosmicznego Hubble'a o nazwie COSMOS jako mniej więcej 1 miliard lat po Wielkim Wybuchu.
David Sobral z Uniwersytetu w Lizbonie dokonał obserwacji CR7 za pomocą jednych z największych na świecie teleskopów naziemnych, w tym Keck i VLT. Odkryli niektóre niezwykle niezwykłe funkcje w sygnaturze świetlnej pochodzącej z CR7. W szczególności linia wodorowa Lyman-alfa była kilkakrotnie jaśniejsza niż oczekiwano. Co ciekawe, widmo wykazało również niezwykle jasną linię helu.
„Cokolwiek napędza to źródło, jest bardzo gorące - wystarczająco gorące, aby zjonizować hel”, powiedział Smith, około 100 000 stopni Celsjusza.
Te i inne niezwykłe cechy widma oznaczały, że może to być gromada pierwotnych gwiazd lub supermasywna czarna dziura prawdopodobnie utworzona przez bezpośrednie zapadnięcie się.
Smith przeprowadził symulacje dla obu scenariuszy i podczas gdy scenariusz gromady gwiazd „spektakularnie zawiódł”, Smith powiedział, że model czarnej dziury z bezpośrednim zawaleniem działał dobrze.
Ponadto na początku tego roku badacze wykorzystali połączone dane z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra, Kosmicznego Teleskopu Hubble'a i Kosmicznego Teleskopu Spitzera w celu zidentyfikowania tych możliwych nasion czarnej dziury. Znaleźli dwa obiekty, oba odpowiadające profilowi teoretycznemu w danych w podczerwieni. (przeczytaj ich artykuł tutaj.)
Wydaje się, że astronomowie „zbiegają się w tym modelu”, powiedział Smith, w celu rozwiązania problemu ziaren kwazara i wczesnej zagadki czarnej dziury.
Bądźcie czujni.
Prace Bromma, Loeba i Smitha zostały opublikowane w czasopiśmie Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Źródła:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, informacja prasowa na temat wykrycia przez NASA czarnych dziur bezpośrednio na początku tego roku.
