Πρώιμο Σύμπαν:Πώς σχηματίστηκαν τόσο γρήγορα οι γιγάντιες μαύρες τρύπες;

Οπτικοποίηση υπολογιστή που δείχνει μωρά μαύρες τρύπες να αναπτύσσονται σε έναν νεαρό γαλαξία από το πρώιμο Σύμπαν. Πίστωση:Δρ Τζον Ρίγκαν

Οι αστρονόμοι που χρησιμοποιούν το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb έχουν εντοπίσει υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες -αντικείμενα με μάζα έως και εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου- σε περιόδους που ο κόσμος ήταν ακόμη στα σπάργανα. Πώς μεγάλωσαν τόσο μεγάλα, τόσο γρήγορα;

Μια νέα μελέτη στην Αστρονομία της Φύσης υποστηρίζει ότι το πρώιμο σύμπαν μπορεί να το έκανε ευκολότερο από ό,τι υπέθεσαν πολλοί ερευνητές, μετατρέποντας τους νεαρούς γαλαξίες σε χαοτικές περιοχές τροφοδοσίας για μικρές, νεογέννητες μαύρες τρύπες.

«Διαπιστώσαμε ότι οι χαοτικές συνθήκες που υπήρχαν στο πρώιμο Σύμπαν προκάλεσαν πρώιμες, μικρότερες μαύρες τρύπες να αναπτυχθούν στις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βλέπουμε αργότερα μετά από μια φρενίτιδα τροφοδοσίας που καταβρόχθιζε υλικό γύρω τους», δήλωσε ο Daxal Mehta, υποψήφιος διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο Maynooth στην Ιρλανδία, σε μια δήλωση.

Ο Mehta και οι συνεργάτες του κατέληξαν σε αυτό το συμπέρασμα εκτελώντας ασυνήθιστα ευκρινείς προσομοιώσεις υπολογιστή των πρώτων γαλαξιών. Σε αυτά τα ψηφιακά σύμπαντα, οι μαύρες τρύπες που ξεκίνησαν ως υπολείμματα της πρώτης γενιάς αστεριών διογκώθηκαν μερικές φορές σε περίπου δέκα χιλιάδες φορές τη μάζα του ήλιου.

«Αποκαλύψαμε, χρησιμοποιώντας υπερσύγχρονες προσομοιώσεις υπολογιστή, ότι η πρώτη γενιά μαύρων οπών—αυτές που γεννήθηκαν μόλις μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη—μεγάλωσε απίστευτα γρήγορα, σε δεκάδες χιλιάδες φορές το μέγεθος του Ήλιου μας», πρόσθεσε η Mehta.

Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε πρώιμη μαύρη τρύπα έγινε τιτάνας. Ωστόσο, η μελέτη υποδηλώνει ότι ένας εκπληκτικός αριθμός μπορεί να ήταν έτοιμος να το κάνει - μόνο αν προσγειώθηκαν στη σωστή κοσμική γειτονιά.

Φυτώριο Μαύρης Τρύπας

Καθώς το αέριο πέφτει προς μια μαύρη τρύπα, θερμαίνεται και λάμπει. Εάν η λάμψη γίνει αρκετά έντονη, μπορεί να απομακρύνει το εισερχόμενο αέριο. Οι αστρονόμοι αποκαλούν αυτό το σημείο εξισορρόπησης το όριο του Έντινγκτον και για δεκαετίες έχει χρησιμεύσει ως ένα είδος κοσμικού ορίου ταχύτητας για την ανάπτυξη της μαύρης τρύπας.

Η ομάδα Maynooth επικεντρώθηκε στις μαύρες τρύπες «ελαφρού σπόρου». Αυτές είναι μικροκαμωμένες μαύρες τρύπες που γεννήθηκαν όταν πέθαναν τα πρώτα αστέρια. Σε πολλά σενάρια, αυτοί οι σπόροι ξεκινούν από την ενδιάμεση μάζα και στη συνέχεια πρέπει να τρώνε σταθερά για μεγάλο χρονικό διάστημα για να φτάσουν σε υπερμεγέθη κλίμακα.

Στις προσομοιώσεις τους, ωστόσο, ορισμένοι σπόροι αυξήθηκαν.

Οι ερευνητές μοντελοποίησαν μαύρες τρύπες που σχηματίζονται από πρώιμα, χωρίς μέταλλα αστέρια, γνωστά ως αστέρια πληθυσμού III, που πιστεύεται ότι είναι συνήθως πολύ πιο μαζικά από τα περισσότερα αστέρια που σχηματίζονται σήμερα. Στις δοκιμές υψηλότερης ανάλυσης, οι προσομοιώσεις θα μπορούσαν να επιλύσουν δομές μέχρι περίπου το ένα δέκατο του παρσεκ —περίπου την κλίμακα των εσωτερικών περιοχών ενός αστρικού σμήνου— αρκετά λεπτές ώστε να παρακολουθούν πυκνές ροές αερίου στο άμεσο περιβάλλον μιας μικρής μαύρης τρύπας.

Λεπτότερες προσομοιώσεις κατέγραψαν σύντομα, έντονα επεισόδια ανάπτυξης που τα μοντέλα χαμηλότερης ανάλυσης δεν μπορούν να ανιχνεύσουν.

Η μελέτη δείχνει ότι αυτές οι εκρήξεις ανάπτυξης ήταν σύντομες για τα κοσμικά πρότυπα, που διήρκεσαν περίπου 100.000 έως 1 εκατομμύριο χρόνια. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια των πιο έντονων εκρήξεων, ορισμένες μαύρες τρύπες άντλησαν αέριο έως και χίλιες φορές το συνηθισμένο όριο ή μικρές περιόδους στις προσομοιώσεις.

Με πιο απλά λόγια, το πρώιμο σύμπαν μερικές φορές άφηνε τις μαύρες τρύπες να σπάσουν το όριο ταχύτητας.

Αυτά τα φαγοπότια εξαρτιόνταν από περιβάλλον που ήταν πυκνό, κρύο και αρκετά αργό ώστε το αέριο να συνεχίσει να συσσωρεύεται. Αλλά αντιμετώπιζαν επίσης μια ενσωματωμένη διακοπή λειτουργίας. Οι εκρήξεις από κοντινά αστέρια —και, σε ορισμένες περιπτώσεις, η θερμότητα που διοχετεύεται από την ίδια τη μαύρη τρύπα— θα μπορούσαν να αφανίσουν τη γειτονιά, να λιμοκτονήσουν τη μαύρη τρύπα και να τερματίσουν την ανάπτυξη.

Ακούγοντας πιο κοντά

Εικόνα που δημιουργήθηκε από υπολογιστή που δείχνει την εμφάνιση της κοσμικής δομής στο πολύ πρώιμο Σύμπαν. Πίστωση:Δρ Τζον Ρίγκαν

Προηγουμένως, ένας κοινός τρόπος για να εξηγηθούν αυτοί οι πρώιμοι γίγαντες ήταν η ιδέα των μαύρων τρυπών με «βαρύ σπόρο»—αντικείμενα που γεννήθηκαν ήδη με μάζα, μερικές φορές έως και 100.000 φορές τη μάζα του ήλιου. Το να ξεκινήσετε από μεγάλους κάνει πιο εύκολο να εξηγηθεί το παζλ των πρώιμων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, καθώς υπάρχει λιγότερη ανάπτυξη.

Οι νέες προσομοιώσεις δεν εξαλείφουν τους βαρείς σπόρους. Αλλά τα αποτελέσματα αποδυναμώνουν την υπόθεση ότι είναι απαραίτητοι οι βαρείς σπόροι.

«Αυτές οι μικροσκοπικές μαύρες τρύπες θεωρούνταν προηγουμένως πολύ μικρές για να αναπτυχθούν στις μεγαθήρες μαύρες τρύπες που παρατηρήθηκαν στο κέντρο των πρώιμων γαλαξιών», είπε ο Mehta. "Αυτό που δείξαμε εδώ είναι ότι αυτές οι πρώιμες μαύρες τρύπες, αν και μικρές, είναι ικανές να αναπτυχθούν θεαματικά γρήγορα, υπό τις κατάλληλες συνθήκες."

Αν αυτό είναι σωστό, το πρώιμο σύμπαν μπορεί να έχει δημιουργήσει έναν ευρύτερο πληθυσμό μεσαίου μεγέθους μαύρων τρυπών, οι οποίες λειτουργούν ως σκαλοπάτι ανάμεσα στα αστρικά υπολείμματα και τα υπερμεγέθη θηρία που αγκυροβολούν τους γαλαξίες σήμερα. Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι αρκετές μαύρες τρύπες αυξάνονται σε περίπου δέκα χιλιάδες φορές τη μάζα του ήλιου, κυρίως με την έλξη αερίου και όχι με τη συγχώνευση με άλλες μαύρες τρύπες.

«Αυτή η ανακάλυψη ξεκλειδώνει έναν από τους μεγάλους γρίφους της αστρονομίας», δήλωσε ο Lewis Prole, μεταδιδακτορικός ερευνητής της ομάδας, σε μια δήλωση. "Έτσι οι μαύρες τρύπες που γεννήθηκαν στο πρώιμο Σύμπαν, όπως παρατηρήθηκε από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, κατάφεραν να φτάσουν τόσο γρήγορα σε τέτοια υπερμεγέθη."

Η ιδέα προτείνει επίσης να ακούτε αντί να κοιτάζετε—δυνητικά μέσω σημάτων βαρυτικών κυμάτων από πρώιμους πληθυσμούς μαύρης τρύπας.