Απεικόνιση του πρώιμου σύμπαντος. Πιστωτική εικόνα: NASA. Κάντε κλικ για μεγέθυνση.
Όλα ξεκίνησαν πριν από πολύ καιρό ενώ το σύμπαν ήταν πολύ νέο. Τα πρώτα τεράστια αστέρια εκτροφέας κτύπησαν στη νεολαία τους - γυρίζοντας και κοιλίζοντας ανάμεσα σε πλούσια πράσινα χόρτα παρθένας ύλης. Καθώς παρήχθη ο χρόνος τους, οι πυρηνικοί κινητήρες έβγαλαν εκτεταμένες ροές θερμού υδρογόνου και αερίου ηλίου - εμπλουτίζοντας τα διαστρικά μέσα. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, οι υπερμεγέθεις συστάδες αστεριών σχηματίστηκαν σε μικρές τσέπες κοντά σε νεογέννητους γαλαξιακούς πυρήνες - κάθε σύμπλεγμα κολυμπά σε μικρές περιοχές αρχέγονης μίνι-φωτοστέφανης ύλης.
Ολοκληρώνοντας τον κύκλο τους, τα πρώτα αστέρια αναπαραγωγής εξερράγησαν, εκτοξεύοντας βαριά άτομα. Αλλά προτού συσσωρευτεί πάρα πολύ βαρύ υλικό στο Σύμπαν, οι πρώτες μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν, αναπτύχθηκαν γρήγορα μέσω της αμοιβαίας αφομοίωσης και συγκέντρωσαν αρκετή βαρυτική επίδραση για να προσελκύσουν αέρια "Goldilocks" ακριβών θερμοκρασιών και σύνθεσης σε μεγάλους δίσκους μεγάλου εύρους. Αυτή η υπερκρίσιμη φάση ανάπτυξης ωρίμασε τις πρώτες μαζικές μαύρες τρύπες (MBHs) γρήγορα σε κατάσταση υπερμεγέθους μαύρης τρύπας (SMBH). Από αυτό, τα πρώτα κβάζαρ έμειναν μέσα στα συντηγμένα μίνι-φωτοστέφανα πολλών πρωτογαλαξιών.
Αυτή η εικόνα του πρώιμου σχηματισμού κβάζαρ προέκυψε από μια πρόσφατη εφημερίδα (που δημοσιεύθηκε στις 2 Ιουνίου 2005) με τίτλο «Ταχεία ανάπτυξη των μαύρων τρυπών High Redshift», που γράφτηκε από τους κοσμολόγους Cambridge UK Martin J. Rees και Marta Volonteri. Αυτή η μελέτη αντιμετωπίζει την πιθανότητα να ανοίξει ένα σύντομο παράθυρο γρήγορου σχηματισμού SMBH μετά την εποχή της καθολικής διαφάνειας, αλλά πριν από τα αέρια στα διαστρικά μέσα ιοντίζονται πλήρως μέσω αστρικής ακτινοβολίας και σπέρνονται με βαρέα μέταλλα από σουπερνόβα. Το μοντέλο Rees-Volonteri επιχειρεί να εξηγήσει γεγονότα που προέρχονται από το σύνολο δεδομένων Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Μέχρι 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, πολλά πολύ λαμπερά κβάζαρ είχαν ήδη σχηματιστεί. Το καθένα με SMBHs έχει μάζες άνω του 1 δισεκατομμυρίου ήλιων. Αυτά είχαν προκύψει από «μαύρες τρύπες σπόρων» - τα βαρυτικά κιβώτια που άφησαν πίσω μετά τον πρώιμο κύκλο των σουπερνόβων κατέρρευσαν μεταξύ των πρώτων μαζικών γαλαξιακών συστάδων. Μέχρι ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang, όλα είχαν τελειώσει. Πώς θα μπορούσε να συμπυκνωθεί τόσο γρήγορα η μάζα σε τόσο μικρές περιοχές του χώρου;
Σύμφωνα με τον Volontari και τον Rees, «Η καλλιέργεια τέτοιων σπόρων έως και 1 δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες απαιτεί σχεδόν συνεχή αύξηση του αερίου…» Η καταπολέμηση ενός τόσο υψηλού ρυθμού αύξησης, είναι το γεγονός ότι η ακτινοβολία από την ύλη που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα αντισταθμίζει συνήθως ταχεία » αύξηση βάρους". Τα περισσότερα μοντέλα ανάπτυξης SMBH δείχνουν ότι περίπου το 30% της μάζας που πέφτει προς μια ενδιάμεση (μαζική - όχι υπερμεγέθη) μαύρη τρύπα μετατρέπεται σε ακτινοβολία. Το αποτέλεσμα αυτού είναι διπλό: Η ουσία που διαφορετικά θα τροφοδοτούσε το MBH χάνεται σε ακτινοβολία και η πίεση εξωτερικής ακτινοβολίας καταπνίγει την πορεία πρόσθετης ύλης προς τα μέσα για να τροφοδοτήσει την ταχεία ανάπτυξη.
Το κλειδί για την κατανόηση του γρήγορου σχηματισμού SMBH έγκειται στην πιθανότητα ότι οι δίσκοι πρώιμης αύξησης γύρω από τα MBH δεν ήταν τόσο οπτικά πυκνοί όσο είναι σήμερα - αλλά «λιπαροί» με πολύ έντονα κατανεμημένη ύλη. Υπό τέτοιες συνθήκες, η ακτινοβολία έχει μια ευρύτερη μέση ελεύθερη διαδρομή και μπορεί να διαφύγει πέρα από τους δίσκους χωρίς να εμποδίζει την εσωτερική κίνηση της ύλης. Το καύσιμο που οδηγεί όλη τη διαδικασία ανάπτυξης SMBH παραδίδεται άφθονα στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας. Εν τω μεταξύ, το είδος της ύλης που υπήρχε στην πρώτη εποχή ήταν κυρίως μονοτομικό υδρογόνο και ήλιο - όχι το είδος των δίσκων συσσώρευσης πλούσιων σε βαρέα μέταλλα μιας μεταγενέστερης εποχής. Όλα αυτά υποδηλώνουν ότι τα πρώτα MBH μεγάλωσαν βιαστικά, που τελικά αντιστοιχούσαν στα πολλά πλήρως ώριμα κβάζαρ που φαίνονται στο σύνολο δεδομένων SDSS. Τέτοια πρώιμα MBHs πρέπει να είχαν αναλογίες μετατροπής μαζικής ενέργειας πιο τυπικές από πλήρως ώριμες SMBH από τις MBH του σήμερα.
Οι Volontari και Rees λένε ότι οι προηγούμενοι ερευνητές έχουν δείξει ότι τα πλήρως ανεπτυγμένα «κβάζαρ έχουν απόδοση μετατροπής μαζικής ενέργειας περίπου 10%…». Το ζευγάρι προειδοποιεί ωστόσο ότι αυτή η τιμή μετατροπής μάζας-ενέργειας προέρχεται από μελέτες κβάζαρ από μεταγενέστερη περίοδο στο Universal επέκταση και ότι "τίποτα δεν είναι γνωστό για την ακτινοβολία της αποτελεσματικότητας των προγαλακτικών κβάζαρ στο πρώιμο Σύμπαν." Για αυτόν τον λόγο «η εικόνα που έχουμε για το Σύμπαν χαμηλής ερυθράς αλλαγής μπορεί να μην ισχύει σε προηγούμενες εποχές». Είναι σαφές ότι το πρώιμο Σύμπαν ήταν πιο πυκνό με ύλη, η ύλη ήταν σε υψηλότερη θερμοκρασία και υπήρχε υψηλότερη αναλογία μη μετάλλων προς μέταλλα. Όλοι αυτοί οι παράγοντες λένε ότι είναι η καλύτερη εκτίμηση σχεδόν για όλους ως προς την αποτελεσματικότητα μετατροπής μαζικής ενέργειας των πρώτων MBH. Δεδομένου ότι τώρα πρέπει να λάβουμε υπόψη γιατί υπάρχουν τόσα πολλά SMBH μεταξύ των πρώτων κβάζαρ, είναι λογικό ότι οι Volontari και Rees χρησιμοποιούν ό, τι γνωρίζουν για τους σημερινούς δίσκους αύξησης ως μέσο για να εξηγήσουν πώς αυτοί οι δίσκοι μπορεί να ήταν διαφορετικοί στο παρελθόν.
Και είναι οι πρώτες στιγμές - πριν από την ακτινοβολία από πολλά αστέρια ιονισμένα αέρια εντός των διαστρικών μέσων - που προσέφερε συνθήκες ώριμες για γρήγορο σχηματισμό SMBH. Τέτοιες συνθήκες μπορεί να έχουν διαρκέσει λιγότερο από 100 εκατομμύρια χρόνια και απαιτούσαν εξειδικευμένη ισορροπία στη θερμοκρασία, την πυκνότητα, την κατανομή και τη σύνθεση της ύλης στο Σύμπαν.
Για να πάρουμε την πλήρη εικόνα (όπως είναι ζωγραφισμένο στο χαρτί), ξεκινάμε με την ιδέα ότι το πρώιμο σύμπαν κατοικήθηκε από αναρίθμητα μίνι-φωτοστέφανα που αποτελούνται από σκοτεινή και βαρυονική ύλη με πολύ μαζικά αλλά εξαιρετικά πυκνά σμήνη αστεριών στη μέση τους. Λόγω της πυκνότητας αυτών των συστάδων - και της μαζικότητας των αστεριών που τους περιλαμβάνονται - οι σουπερνόβα αναπτύχθηκαν γρήγορα για να γεννήσουν πολλές «μαύρες τρύπες». Αυτοί οι σπόροι BH συνδυάζονται σε τεράστιες μαύρες τρύπες. Εν τω μεταξύ, οι βαρυτικές δυνάμεις και οι πραγματικές κινήσεις ένωσαν γρήγορα τα διάφορα μίνι-φωτοστέφανα. Αυτό δημιούργησε όλο και πιο τεράστια φωτοστέφανα ικανά να τροφοδοτήσουν MBH.
Στις αρχές του Σύμπαντος, η ύλη που περιβάλλει τα ΜΒΗ έλαβε τη μορφή τεράστιων φτωχών μετάλλων σφαιροειδών υδρογόνου και ηλίου κατά μέσο όρο περίπου 8.000 βαθμούς Κέλβιν σε θερμοκρασία. Σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες, τα άτομα παραμένουν ιονισμένα. Λόγω ιονισμού, υπήρχαν λίγα ηλεκτρόνια που σχετίζονται με άτομα που δρουν ως παγίδες φωτονίων. Τα αποτελέσματα της πίεσης ακτινοβολίας μειώθηκαν στο σημείο όπου η ύλη έπεσε πιο εύκολα σε ορίζοντα γεγονότων μαύρων οπών. Εν τω μεταξύ, τα ίδια τα ελεύθερα ηλεκτρόνια διασκορπίζουν το φως. Κάποιο από αυτό το φως εκπέμπει πραγματικά πίσω στον δίσκο συσσώρευσης και μια άλλη πηγή μάζας - με τη μορφή ενέργειας - τροφοδοτεί το σύστημα. Τέλος, η έλλειψη βαρέων μετάλλων - όπως οξυγόνο, άνθρακας και άζωτο - σημαίνει ότι τα μονοτομικά άτομα παραμένουν ζεστά. Καθώς καθώς οι θερμοκρασίες πέφτουν κάτω από 4.000 βαθμούς Κ, τα άτομα απιονίζονται και υπόκεινται πάλι σε πίεση ακτινοβολίας μειώνοντας τη ροή της νωπής ύλης που πέφτει στον ορίζοντα γεγονότων ΒΗ. Όλες αυτές οι καθαρά φυσικές ιδιότητες έτειναν να μειώνουν τους δείκτες ενεργειακής απόδοσης - επιτρέποντας στα ΜΒΗ να αυξήσουν το βάρος τους γρήγορα.
Εν τω μεταξύ, καθώς τα μίνι-φωτοστέφανα συνενώθηκαν, η καυτή βαρυονική ύλη συμπυκνώθηκε σε τεράστιους «παχούς» δίσκους - όχι στους λεπτούς δακτυλίους που φαίνονται γύρω από τους SMBH σήμερα. Αυτό προέκυψε επειδή η ίδια η ύλη του φωτοστέφανου περιβάλλει πλήρως τα ραγδαία αναπτυσσόμενα MBH. Αυτή η σφαιροειδής κατανομή της ύλης παρείχε μια σταθερή πηγή φρέσκιας, ζεστής, παρθένας ύλης για τροφοδοσία του δίσκου αύξησης από διάφορες γωνίες. Οι πυκνοί δίσκοι σήμαινε μεγαλύτερες ποσότητες ύλης σε χαμηλότερη οπτική πυκνότητα. Για άλλη μια φορά, η ύλη κατόρθωσε να αποφύγει να «ηλιακά πλεύσει» προς τα έξω από την επικείμενη χροιά του MBH και οι λόγοι μετατροπής μαζικής ενέργειας μειώθηκαν.
Και οι δύο παράγοντες - δίσκοι λίπους και ιονισμένα άτομα, χαμηλής μάζας - λένε ότι κατά τη χρυσή εποχή ενός πρώιμου πράσινου σύμπαντος, τα MBHs μεγάλωσαν γρήγορα. Μέσα σε ένα δισεκατομμύριο χρόνια από τη Μεγάλη Έκρηξη είχαν καταλήξει σε μια σχετικά ήσυχη ωριμότητα μετατρέποντας αποτελεσματικά την ύλη σε φως και ρίχνοντας αυτό το φως σε τεράστιες χρονικές περιόδους και χώρο σε ένα δυνητικά συνεχώς διευρυνόμενο Σύμπαν.
Γράφτηκε από τον Jeff Barbour
