Astronomii au descoperit niște găuri negre supermassive extrem de vechi, care s-au format atunci când Universul era destul de tânăr. Dar au fost încurcați de cum o gaură neagră ar putea crește la o dimensiune atât de imensă când Universul însuși era doar un copil mic.
Astronomii au descoperit că un set unic de condiții au fost prezente la jumătate de miliard de ani de la Big Bang care a permis formarea acestor găuri negre monstru. O sursă neobișnuită de radiații intense a creat ceea ce se numesc „găuri negre cu colaps direct”.
„Este un miracol cosmic”, a spus Volker Bromm de la Universitatea din Texas din Austin, care a lucrat cu mai mulți astronomi la constatare. „Este singura dată în istoria universului când condițiile sunt potrivite pentru a se forma.”
Înțelegerea convențională a modului în care se formează găurile negre se numește teoria accrețiunii, unde o stea extrem de masivă se prăbușește și „semințele” găurilor negre sunt construite din prăbușire prin tragerea gazului din împrejurimile lor și prin fuziunile unor găuri negre mai mici. Dar acest proces durează mult, mult mai mult decât timpul în care acestea au format rapid găuri negre. În plus, universul timpuriu nu a avut cantitățile de gaz și praf necesare pentru ca găurile negre supermasive să crească până la dimensiunea lor gigantică.
Noile descoperiri sugerează în schimb că unele dintre primele găuri negre s-au format direct când un nor de gaz s-a prăbușit, ocolind orice alte faze intermediare, cum ar fi formarea și distrugerea ulterioară a unei stele masive.
Desigur, ca orice gaură neagră, aceste găuri negre de „colaps direct” nu pot fi văzute. Dar au existat dovezi puternice pentru existența lor, deoarece acestea sunt necesare pentru a alimenta cvasarii extrem de luminoși detectați în universul tânăr. Marea luminozitate a unui quasar provine din materie în spirală într-o gaură neagră super-masivă, încălzire la milioane de grade, creând jeturi care strălucesc ca balizele din univers. Dar, întrucât teoria acrețiunii nu explică găurile negre super-masive într-un univers extrem de îndepărtat - și, prin urmare, tânăr -, astronomii nu au putut explica nici cvasarul. Aceasta a fost numită „problema semințelor de quasar”.
„Quasarele observate în universul timpuriu seamănă cu bebelușii uriași într-o sală de livrare plină de prunci normali”, a spus Avi Loeb de la Centrul pentru Astrofizică Harvard-Smithsonian, care a lucrat cu Bromm. „Unul este lăsat să se întrebe: ce este special despre mediul care i-a hrănit pe acești copii uriași? În mod obișnuit, rezervorul de gaze reci din galaxiile din apropiere, precum Calea Lactee este consumat în mare parte de formarea stelelor. "
Dar, în 2003, Bromm și Loeb au venit cu o idee teoretică de a obține o galaxie timpurie pentru a forma o gaură neagră de semințe supermasive, suprimând aportul de energie altfel prohibitiv din formarea stelelor. Ei au numit procesul „colaps direct”.
„Începeți cu un„ nor primordial de hidrogen și heliu, care s-a produs într-o mare de radiații ultraviolete ”, a spus Bromm. „Cripești acest nor în câmpul gravitațional al unui halo cu materie întunecată. În mod normal, norul ar putea să se răcească și să se fragmenteze pentru a forma stele. Cu toate acestea, fotonii ultraviolete mențin gazul fierbinte, suprimând astfel orice formare de stele. Acestea sunt condițiile dorite, aproape miraculoase: prăbușire fără fragmentare! Pe măsură ce gazul devine din ce în ce mai compact, în cele din urmă aveți condițiile pentru o gaură neagră masivă. "
Acest set de condiții cosmice pare să fi existat doar în universul foarte timpuriu, iar acest proces nu se întâmplă în galaxii astăzi.
Pentru a-și testa teoria, Bromm, Loeb și colegul lor Aaron Smith au început să studieze o galaxie numită CR7, identificată printr-un sondaj de la Telescopul Spațial Hubble numit COSMOS ca fiind la aproximativ 1 miliard de ani după Big Bang.
David Sobral, de la Universitatea din Lisabona, a făcut observații ulterioare despre CR7 cu unele dintre cele mai mari telescoape la sol, inclusiv Keck și VLT. Acestea au descoperit câteva caracteristici extrem de neobișnuite în semnătura ușoară provenind de la CR7. Mai exact, linia de hidrogen Lyman-alfa a fost de câteva ori mai strălucitoare decât se aștepta. În mod remarcabil, spectrul a arătat și o linie de heliu neobișnuit de strălucitoare.
„Oricare conduce această sursă este foarte fierbinte - destul de fierbinte pentru a ioniza heliu”, a spus Smith, la aproximativ 100.000 de grade Celsius.
Aceste și alte caracteristici neobișnuite din spectru au însemnat că poate fi fie un grup de stele primordiale, fie o gaură neagră supermasivă, probabil, formată prin prăbușirea directă.
Smith a derulat simulări pentru ambele scenarii, iar în timp ce scenariul grupului de stele „a eșuat spectaculos”, a spus Smith, modelul de gaură neagră cu colaps direct a funcționat bine.
De asemenea, la începutul acestui an, cercetătorii au utilizat date combinate de la Observatorul cu raze X Chandra, Telescopul spațial Hubble și Telescopul spațial Spitzer pentru a identifica aceste semințe cu găuri negre posibile. Au găsit două obiecte, ambele adaptate la profilul teoretic din datele cu infraroșu. (citiți lucrarea lor aici.)
Se pare că astronomii „converg către acest model”, a spus Smith, pentru rezolvarea problemei semințelor de cvasi și a conundrului de găuri negre timpurii.
Rămâneți aproape.
Lucrările lui Bromm, Loeb și Smith sunt publicate în revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
surse:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Comunicat de presă pentru detectarea de către NASA a găurilor negre cu colaps direct la începutul acestui an.
