Τι τροφοδοτούσε τις πρώτες μαύρες τρύπες που επέτρεπαν την πολύ γρήγορη ανάπτυξή τους; Μια νέα ανακάλυψη που έγινε από ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό προσομοιώσεων υπερυπολογιστών και τεχνολογίας GigaPan Time Machine δείχνει ότι μια δίαιτα κοσμικού «γρήγορου φαγητού» (λεπτές ροές ψυχρού αερίου) ρέει ανεξέλεγκτα στο κέντρο των πρώτων μαύρων οπών, προκαλώντας να είναι «υπερμεγέθη» και να μεγαλώνουν γρηγορότερα από οτιδήποτε άλλο στο Σύμπαν.
Όταν το Σύμπαν μας ήταν νέο, λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang, οι γαλαξίες μόλις άρχισαν να σχηματίζονται και να μεγαλώνουν. Σύμφωνα με προηγούμενες θεωρίες, οι μαύρες τρύπες εκείνη την εποχή έπρεπε να ήταν εξίσου μικρές. Τα δεδομένα από την έρευνα Sloan Digital Sky έδειξαν το αντίθετο - οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες υπήρχαν ήδη 700 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang.
«Η Sloan Digital Sky Survey βρήκε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε λιγότερο από 1 δισεκατομμύριο χρόνια. Είχαν το ίδιο μέγεθος με τις πιο μαζικές μαύρες τρύπες σήμερα, που είναι 13,6 δισεκατομμύρια χρόνια », δήλωσε η Tiziana Di Matteo, αναπληρώτρια καθηγήτρια φυσικής (Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon). «Ήταν ένα παζλ. Γιατί μερικές μαύρες τρύπες σχηματίζονται τόσο νωρίς όταν χρειάζεται ολόκληρη η ηλικία του Σύμπαντος για να φτάσουν οι άλλοι στην ίδια μάζα; "
Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι οι μεγαλύτερες μαύρες τρύπες που υπάρχουν - ζυγίζουν με μάζες δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου. Οι περισσότερες «κανονικές» μαύρες τρύπες είναι μόνο περίπου 30 φορές πιο μαζικές από τον Ήλιο. Ο επί του παρόντος αποδεκτός μηχανισμός για τον σχηματισμό υπερμεγέθων μαύρων οπών είναι μέσω γαλαξιακών συγχωνεύσεων. Ένα πρόβλημα με αυτήν τη θεωρία και τον τρόπο που εφαρμόζεται στις πρώιμες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι ότι στην αρχή του Σύμπαντος, δεν υπήρχαν πολλοί γαλαξίες και ήταν πολύ μακριά ο ένας από τον άλλο για να συγχωνευτούν.
Ο Rupert Croft, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής (Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon) παρατήρησε: «Εάν γράψεις τις εξισώσεις για το πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες και οι μαύρες τρύπες, δεν φαίνεται πιθανό αυτές οι τεράστιες μάζες να σχηματιστούν τόσο νωρίς, αλλά κοιτάζουμε τον ουρανό και να τα."
Σε μια προσπάθεια κατανόησης των διαδικασιών που διαμόρφωσαν τις πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, οι Di Matteo, Croft και Khandai δημιούργησαν το MassiveBlack - τη μεγαλύτερη κοσμολογική προσομοίωση μέχρι σήμερα. Ο σκοπός του MassiveBlack είναι να προσομοιώσει με ακρίβεια τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος μας. Περιγράφοντας το MassiveBlack, ο Di Matteo παρατήρησε, «Αυτή η προσομοίωση είναι πραγματικά τεράστια. Είναι το μεγαλύτερο όσον αφορά το επίπεδο φυσικής και τον πραγματικό όγκο. Το κάναμε επειδή μας ενδιαφέρει να κοιτάξουμε σπάνια πράγματα στο σύμπαν, όπως οι πρώτες μαύρες τρύπες. Επειδή είναι τόσο σπάνια, πρέπει να αναζητήσετε μεγάλο όγκο χώρου ».
Η Croft και η ομάδα ξεκίνησαν τις προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας γνωστά μοντέλα κοσμολογίας με βάση θεωρίες και νόμους της σύγχρονης φυσικής. «Δεν κάναμε τίποτα τρελό. Δεν υπάρχει μαγική φυσική, ούτε επιπλέον πράγματα. Είναι η ίδια φυσική που σχηματίζει γαλαξίες σε προσομοιώσεις του μεταγενέστερου σύμπαντος », δήλωσε ο Croft. «Μαγικά όμως, αυτά τα πρώιμα κβάζαρ, όπως είχαν παρατηρηθεί, εμφανίζονται. Δεν ξέραμε ότι επρόκειτο να εμφανιστούν. Ήταν εκπληκτικό να μετρήσουμε τις μάζες τους και να πάμε «Ουάου! Αυτά είναι το ακριβές σωστό μέγεθος και εμφανίζονται ακριβώς στο σωστό χρονικό σημείο. «Είναι μια ιστορία επιτυχίας για τη σύγχρονη θεωρία της κοσμολογίας».
Τα δεδομένα από το MassiveBlack προστέθηκαν στο έργο GigaPan Time Machine. Συνδυάζοντας τα δεδομένα MassiveBlack με το έργο GigaPan Time Machine, οι ερευνητές μπόρεσαν να δουν την προσομοίωση σαν να ήταν μια ταινία - εύκολα να περάσει από το προσομοιωμένο σύμπαν καθώς σχηματίστηκε. Όταν η ομάδα παρατήρησε γεγονότα που φαίνονταν ενδιαφέροντα, ήταν επίσης σε θέση να μεγεθύνουν για να δουν τα γεγονότα με μεγαλύτερη λεπτομέρεια από ό, τι μπορούσαν να δουν στο δικό μας σύμπαν με τηλεσκόπια εδάφους ή διαστημικά.
Όταν η ομάδα εστίασε στη δημιουργία των πρώτων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, είδαν κάτι απροσδόκητο. Οι φυσιολογικές παρατηρήσεις δείχνουν ότι όταν το κρύο αέριο ρέει προς μια μαύρη τρύπα, θερμαίνεται από συγκρούσεις με άλλα κοντινά μόρια αερίου, και μετά ψύχεται πριν εισέλθει στη μαύρη τρύπα. Γνωστή ως «θέρμανση σοκ», η διαδικασία έπρεπε να είχε σταματήσει να φτάνουν στις πρώτες μαύρες τρύπες στις μάζες που παρατηρούνται. Αντ 'αυτού, η ομάδα παρατήρησε λεπτά ρεύματα ψυχρού πυκνού αερίου που ρέουν κατά μήκος «νημάτων» που παρατηρούνται σε έρευνες μεγάλης κλίμακας που αποκαλύπτουν τη δομή του σύμπαντός μας. Τα νήματα επέτρεψαν στο αέριο να ρέει απευθείας στο κέντρο των μαύρων οπών με απίστευτη ταχύτητα, παρέχοντάς τους κρύο, γρήγορο φαγητό. Η σταθερή, αλλά ανεξέλεγκτη κατανάλωση παρείχε έναν μηχανισμό για τις μαύρες τρύπες να αναπτυχθούν με πολύ πιο γρήγορο ρυθμό από τους γαλαξίες του ξενιστή τους.
Τα ευρήματα θα δημοσιευθούν στο Astrophysical Journal Letters.
Αν θέλετε να διαβάσετε περισσότερα, ρίξτε μια ματιά στα παρακάτω άρθρα (μέσω Physics arXiv):
Terapixel απεικόνιση κοσμολογικών προσομοιώσεων
Ο σχηματισμός των γαλαξιών Φιλοξενία z ~ 6 Quarsars
Πρώιμες μαύρες τρύπες σε κοσμολογικές προσομοιώσεις
Ψυχρές ροές και τα πρώτα κβάζαρ
Μάθετε περισσότερα για το Gigapan και το MassiveBlack στη διεύθυνση: http://gigapan.org/gigapans/76215/ και http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Πηγή: Δελτίο Τύπου του Πανεπιστημίου Carnegie Mellon
