Οι αστρονόμοι έχουν βρει μερικές πολύ παλιές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, αυτές που σχηματίστηκαν όταν το Σύμπαν ήταν πολύ νέο. Αλλά προβληματίστηκαν για το πώς μια μαύρη τρύπα θα μπορούσε να μεγαλώσει σε τόσο τεράστιο μέγεθος όταν το ίδιο το Σύμπαν ήταν απλώς ένα μικρό παιδί.
Οι αστρονόμοι βρήκαν τώρα ένα μοναδικό σύνολο συνθηκών που υπήρχαν μισό δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang που επέτρεψε να σχηματιστούν αυτές οι μαύρες τρύπες τεράτων. Μια ασυνήθιστη πηγή έντονης ακτινοβολίας δημιούργησε αυτό που ονομάζεται «μαύρες τρύπες άμεσης κατάρρευσης».
«Είναι ένα κοσμικό θαύμα», δήλωσε ο Volker Bromm του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Ώστιν, ο οποίος συνεργάστηκε με αρκετούς αστρονόμους στο εύρημα. «Είναι η μόνη φορά στην ιστορία του σύμπαντος όταν οι συνθήκες είναι κατάλληλες για να σχηματιστούν».
Η συμβατική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται οι μαύρες τρύπες ονομάζεται θεωρία συσσώρευσης, όπου ένα εξαιρετικά τεράστιο αστέρι καταρρέει και οι «σπόροι» της μαύρης τρύπας κατασκευάζονται από την κατάρρευση τραβώντας αέριο από το περιβάλλον τους και από συγχωνεύσεις μικρότερων μαύρων οπών. Αλλά αυτή η διαδικασία διαρκεί πολύ, πολύ περισσότερο από το χρόνο που βρίσκονταν αυτές οι μαύρες τρύπες που σχηματίζονταν γρήγορα. Επιπλέον, το πρώιμο σύμπαν δεν είχε τις ποσότητες αερίου και σκόνης που απαιτούνται για να αυξηθούν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο γιγαντιαίο τους μέγεθος.
Τα νέα ευρήματα δείχνουν ότι ορισμένες από τις πρώτες μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν άμεσα όταν κατέρρευσε ένα σύννεφο αερίου, παρακάμπτοντας οποιαδήποτε άλλη ενδιάμεση φάση, όπως ο σχηματισμός και η επακόλουθη καταστροφή ενός τεράστιου αστεριού.
Φυσικά, όπως κάθε μαύρη τρύπα, αυτές οι μαύρες τρύπες "άμεσης κατάρρευσης" δεν μπορούν να φανούν. Ωστόσο, υπήρχαν ισχυρές ενδείξεις για την ύπαρξή τους, καθώς χρειάζονται για να τροφοδοτήσουν τα εξαιρετικά φωτεινά κβάζαρ που εντοπίστηκαν στο νέο σύμπαν. Η μεγάλη φωτεινότητα ενός κβάζαρ προέρχεται από την ύλη που περιστρέφεται σε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, θερμαίνει σε εκατομμύρια βαθμούς, δημιουργώντας πίδακες που λάμπουν σαν φάρους σε όλο το Σύμπαν. Αλλά επειδή η θεωρία της αύξησης δεν εξηγεί τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε εξαιρετικά μακρινό - και επομένως νέο - σύμπαν, οι αστρονόμοι δεν μπορούσαν ούτε να εξηγήσουν τα κβάζαρ. Αυτό ονομάστηκε «το πρόβλημα των σπόρων κβάζαρ».
«Τα κβάζαρ που παρατηρήθηκαν στο πρώιμο σύμπαν μοιάζουν με γιγαντιαία μωρά σε μια αίθουσα τοκετού γεμάτη κανονικά βρέφη», δήλωσε ο Avi Loeb από το Κέντρο Αστροφυσικής του Χάρβαρντ-Σμιθσόνια, ο οποίος συνεργάστηκε με τον Bromm. «Μένει κανείς να αναρωτιέται: τι είναι ιδιαίτερο για το περιβάλλον που ανατράφηκε αυτά τα γιγαντιαία μωρά; Συνήθως, η δεξαμενή κρύου αερίου σε κοντινούς γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας καταναλώνεται κυρίως από σχηματισμό αστεριών. "
Αλλά το 2003, ο Bromm και ο Loeb βρήκαν μια θεωρητική ιδέα για να δημιουργήσουν έναν πρώιμο γαλαξία για να σχηματίσουν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, καταστέλλοντας την κατά τα άλλα απαγορευτική εισροή ενέργειας από τον σχηματισμό αστεριών. Κάλεσαν τη διαδικασία «άμεση κατάρρευση».
«Ξεκινήστε με ένα« αρχέγονο νέφος υδρογόνου και ηλίου, που έχει καταλήξει σε μια θάλασσα υπεριώδους ακτινοβολίας », δήλωσε ο Bromm. «Κλείνεις αυτό το σύννεφο στο βαρυτικό πεδίο ενός φωτοστέφανου με σκοτεινή ύλη. Κανονικά, το σύννεφο θα μπορούσε να κρυώσει και να κατακερματιστεί για να σχηματίσει αστέρια. Ωστόσο, τα υπεριώδη φωτόνια διατηρούν το αέριο ζεστό, καταστέλλοντας έτσι κάθε σχηματισμό αστεριών. Αυτές είναι οι επιθυμητές, σχεδόν θαυματουργές συνθήκες: κατάρρευση χωρίς κατακερματισμό! Καθώς το αέριο γίνεται όλο και πιο συμπαγές, τελικά έχετε τις προϋποθέσεις για μια τεράστια μαύρη τρύπα. "
Αυτό το σύνολο κοσμικών συνθηκών φαίνεται να υπήρχε μόνο στο πολύ πρώιμο σύμπαν και αυτή η διαδικασία δεν συμβαίνει στους γαλαξίες σήμερα.
Για να δοκιμάσουν τη θεωρία τους, ο Bromm, ο Loeb και ο συνάδελφός τους Aaron Smith άρχισαν να μελετούν έναν γαλαξία που ονομάζεται CR7, που αναγνωρίστηκε από μια έρευνα του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Hubble που ονομάζεται COSMOS ότι ήταν περίπου λιγότερο από 1 δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang.
Ο Ντέιβιντ Σόμπραλ του Πανεπιστημίου της Λισαβόνας είχε πραγματοποιήσει παρατηρήσεις παρακολούθησης του CR7 με μερικά από τα μεγαλύτερα επίγεια τηλεσκόπια στον κόσμο, συμπεριλαμβανομένου του Keck και του VLT. Αυτά αποκάλυψαν μερικά εξαιρετικά ασυνήθιστα χαρακτηριστικά στη φωτεινή υπογραφή που προέρχεται από το CR7. Συγκεκριμένα, η γραμμή υδρογόνου Lyman-άλφα ήταν αρκετές φορές πιο φωτεινή από το αναμενόμενο. Αξιοσημείωτα, το φάσμα έδειξε επίσης μια ασυνήθιστα φωτεινή γραμμή ηλίου.
«Ό, τι οδηγεί αυτή η πηγή είναι πολύ ζεστή - αρκετά ζεστή για να ιονίσει ήλιο», είπε ο Smith, περίπου 100.000 βαθμούς Κελσίου.
Αυτά και άλλα ασυνήθιστα χαρακτηριστικά στο φάσμα σήμαινε ότι θα μπορούσε είτε να είναι ένα σύμπλεγμα αρχέγονων αστεριών είτε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που πιθανώς σχηματίζεται από την άμεση κατάρρευση.
Ο Σμιθ έτρεξε προσομοιώσεις και για τα δύο σενάρια και ενώ το σενάριο συστάδων αστεριών «απέτυχε θεαματικά», είπε ο Σμιθ, το μοντέλο άμεσης κατάρρευσης μαύρης τρύπας είχε καλή απόδοση.
Επίσης, νωρίτερα φέτος, ερευνητές χρησιμοποίησαν συνδυασμένα δεδομένα από το Παρατηρητήριο Ακτίνων Χ Chandra, το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble και το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Spitzer για να εντοπίσουν αυτούς τους πιθανούς σπόρους μαύρων οπών. Βρήκαν δύο αντικείμενα, τα οποία ταιριάζουν με το θεωρητικό προφίλ στα δεδομένα υπερύθρων. (διαβάστε το άρθρο τους εδώ.)
Φαίνεται ότι οι αστρονόμοι «συγκλίνουν σε αυτό το μοντέλο», είπε ο Smith, για την επίλυση του προβλήματος των σπόρων κβάζαρ και του πρώιμου γρίφους της μαύρης τρύπας.
Μείνετε συντονισμένοι.
Το έργο των Bromm, Loeb και Smith δημοσιεύεται στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Πηγές:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Δελτίο τύπου για τον εντοπισμό της NASA για άμεσες κατάρρευση μαύρων τρυπών νωρίτερα αυτό το έτος.
