Naukowcy odkrywają sekret narodzin pierwszych czarnych dziur we wszechświecie

Supermasywna czarna dziura rozwija się bardzo długo, nawet jeśli zjada żarłocznie. Dlatego ustalenie, w jaki sposób supermasywne czarne dziury, które są miliardy razy cięższe od Słońca, powstały w ciągu pierwszego miliarda lat życia wszechświata, pozostaje nieustającą tajemnicą.

Jednak nowe prace międzynarodowego zespołu kosmologów sugerują odpowiedź: strumienie zimnej materii złożonej z tajemniczej ciemnej materii napędzają czarne dziury powstałe w wyniku śmierci gigantycznych pierwotnych gwiazd.

„Istnieje przepis na stworzenie w momencie narodzin czarnej dziury o masie 100 000 mas Słońca, pierwotnej gwiazdy o masie 100 000 mas Słońca” – powiedział Daniel Wallen, kosmolog z University of Portsmouth. niezależny. „W obecnym wszechświecie jedyne czarne dziury, które wszyscy odkryliśmy, powstały w wyniku kolapsu masywnych gwiazd. Oznacza to, że minimalna masa czarnej dziury musi wynosić co najmniej trzy lub cztery masy Słońca”.

Ale przepaść między gwiazdą o masie 4 mas Słońca a gwiazdą o masie 100 000 mas Słońca, „olbrzymią” gwiazdą, która gdyby jej środek znajdował się wokół Słońca, rozciągałaby się na orbitę Plutona. Według dr Wallena, w ciągu ostatnich 20 lat większość badań nad kwazarami we wczesnym Wszechświecie – centrach niezwykle jasnych galaktyk zasilanych przez supermasywne czarne dziury – koncentrowała się na precyzyjnie dostrojonym zestawie warunków, które umożliwiłyby powstawanie takie kwazary. Masywna prymitywna gwiazda.

Ale w nowym artykule opublikowanym w magazynie charakter temperamentuWallen i jego koledzy wykorzystali gigantyczny komputerowy model ewolucji kosmicznej, aby zademonstrować, że zamiast ewoluować z bardzo szczególnego zestawu warunków, masywne protogwiazdy formują się i zapadają w „nasiona” kwazarów całkowicie naturalnie z zestawu warunków początkowych, które chociaż wciąż stosunkowo rzadki, ale znacznie mniej wrażliwy. A wszystko zaczyna się od ciemnej materii.

czytaj dalej historię

„Jeśli spojrzysz na całkowitą zawartość, nazwijmy ją zawartością energii w całkowitej masie wszechświata, 3 procent w postaci materii, którą rozumiemy” – wyjaśnił dr Wallen – substancja składająca się z protonów, neutronów, elektronów, wodór, hel i inne. Ale „24 procent ma postać ciemnej materii i wiemy, że tam jest z powodu ruchu galaktyk i gromad galaktyk, ale nie wiemy, co to jest”.

Oznacza to, że ciemna materia wydaje się oddziaływać ze zwykłą materią jedynie poprzez grawitację i to grawitacja ciemnej materii stworzyła największą strukturę we wszechświecie: kosmiczną sieć. Według dr Wallena we wczesnym wszechświecie duże połacie ciemnej materii zapadały się pod własnym ciężarem w długie włókna i ciągnęły ze sobą normalną materię, tworząc sieć włókien i ich połączeń.

Galaktyki i gwiazdy ostatecznie tworzą się we włóknach, a w szczególności w bogatych w materię przecięciach włókien.

Dr Wallen podkreślił te skrzyżowania, mówiąc: „Nazywamy je halo, halo kosmiczne i uważamy, że pierwotne gwiazdy powstały tam jako pierwsze”.

Poprzednie idee były takie, że aby uformować pierwotną gwiazdę wystarczająco dużą, aby zrodzić supermasywną czarną dziurę i stworzyć kwazar w pierwszym miliardzie lat wszechświata, korona musiałaby urosnąć do gigantycznych rozmiarów w specjalnych warunkach: nie ma inne gwiazdy tak blisko, że ten wodór utworzył cząsteczkę, aby utrzymać chłodny gaz, a te naddźwiękowe przepływy gazu utrzymywały turbulencję w koronie. Dopóki aura byłaby wystarczająco zimna i burzliwa, nie byłaby w stanie utrzymać się na tyle, by zapalić się jak gwiazda, przedłużając swoją fazę wzrostu, aż w końcu narodzi się w gigantycznych rozmiarach.

Dr Wallen zauważył, że gdy masywna gwiazda zapali się, przeżyje swoje życie, opróżni się i zapadnie w czarną dziurę, powinna mieć dostęp do dużych ilości gazu, aby rosnąć wykładniczo, „ponieważ sposób, w jaki rośnie czarna dziura, połyka gaz”.

Ale zamiast wymagać ekstremalnie wąskich warunków dla formowania się supermasywnych gwiazd i ostatecznie supermasywnej czarnej dziury, symulacje dr Wallen i współpracowników sugerują, że przepływ zimnego gazu w halo włókien zdefiniowanych przez ciemną materię w kosmicznej sieci może zastąpić wiele czynniki potrzebne do powstania pierwotnych gwiazd w modelach.

„Si los flujos de acreción fríos están alimentando el crecimiento de estos halos, deben estar golpeando esos halos”, dijo el Dr. Wieloryb, „golpeándolos con tanto gas tan rápidamente, que la turbulencia podría estar impidiendo que el gas colapse y form una estrella jest bardzo ważne”.

Kiedy zasymulowali taką koronę zasilaną zimnymi strumieniami akrecyjnymi, naukowcy zaobserwowali formowanie się dwóch masywnych protogwiazd, jednej wielkości 31 000 słońc, a drugiej wielkości 40 000 słońc. Supermasywne nasiona czarnej dziury.

„To było cudownie proste. 20-letni problem zniknął z dnia na dzień. Kiedy zimne strumienie pompują gaz w halo do kosmicznej sieci”, zauważył dr Wallen, „byłoby tak wiele turbulencji, że masywne gwiazdy i masywne nasiona w wyniku czego powstanie gigantyczne ziarno kwazara.

Dodał, że jest to odkrycie odpowiadające liczbie kwazarów widzianych do tej pory na początku Wszechświata, zauważając, że duże halo w tym wczesnym okresie są rzadkie, podobnie jak kwazary.

Ale nowa praca jest symulacją, a naukowcy chcieliby faktycznie monitorować powstawanie kwazarów z wczesnego Wszechświata w przyrodzie. Nowe instrumenty, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, mogą wkrótce sprawić, że stanie się to rzeczywistością.

„Sieć będzie silna, aby ją zobaczyć”, powiedział dr Wallen, prawdopodobnie po to, aby zobaczyć narodziny czarnych dziur w ciągu miliona lub dwóch milionów lat od Wielkiego Wybuchu.

Możesz być także zainteresowany | na wideo

Najdalszy widok wszechświata, jaki kiedykolwiek widzieliśmy.