Gdzie powstawały masywne czarne dziury w początkach wszechświata?

Źródło:
Advanced Visualization Lab, National Center for Supercomputing Applications

Promieniowanie wyemitowane w otoczeniu pierwszych masywnych czarnych dziur we wszechświecie jest tak intensywne, że jest w stanie dotrzeć do teleskopów na Ziemi po przebyciu niemal całego wszechświata. Światło z najodleglejszych czarnych dziur (lub kwazarów) podróżowało do nas od ponad 13 miliardów lat. Mimo to, nadal nie wiemy w jaki sposób powstały te potężne czarne dziury.

Badania przeprowadzone przez badaczy z Georgia Institute of Technology, Dublin City University, Michigan State University, University of California w San Diego, San Diego Supercomputer Center oraz IBM dostarczają nowych i wyjątkowo obiecujących informacji, które mogą umożliwić nam rozwiązanie tej kosmicznej zagadki. Badacze wykazali, że ekstremalnie szybkie – a często wręcz gwałtowne – tworzenie się galaktyk może prowadzić do formowania się bardzo masywnych czarnych dziur. W tych rzadko obserwowanych galaktykach, normalne procesy gwiazdotwórcze są przerywane, a zaczyna dominować w nich proces formowania supermasywnych czarnych dziur.

Najnowsze badania wskazują, że masywne czarne dziury powstają w gęstych, pozbawionych gwiazd i szybko rosnących obszarach, co przewraca na głowę od dawna przyjmowane założenie, że procesy formowania masywnych czarnych dziur ograniczone są do regionów bombardowanych przez silne promieniowanie pobliskich galaktyk. Wnioski z badań, przedstawione 23 stycznia w periodyku Nature wskazują także, że masywne czarne dziury są dużo bardziej powszechne we wszechświecie niż dotychczas uważano.

Kluczowe kwestie do określenia gdzie powstały masywne czarne dziury na samym początku historii wszechświata związane są z gwałtownym wzrostem obłoków gazu pregalaktycznego, które były prekursorami wszystkich dzisiejszych galaktyk co oznacza, że większość supermasywnych czarnych dziur ma wspólne pochodzenie i powstało według tego samego nowo odkrytego scenariusza, mówi John Wise, profesor w Centrum Astrofizyki Relatywistycznej na Georgia Tech. Ciemna materia skupia się w halo, które stanowią grawitacyjne spoiwo wszystkich galaktyk. Wczesny, gwałtowny wzrost tych halo zapobiegł formowaniu się gwiazd, które konkurowały z czarnymi dziurami materię gazową spływającą i gromadzącą się w tych obszarach.

“W ramach naszych badań odkryliśmy zupełnie nowy mechanizm, który powoduje powstawanie masywnych czarnych dziur w określonych halo ciemnej materii” mówi Wise. “Zamiast skupiać się tylko na promieniowaniu, musimy przyjrzeć się temu jak szybko rosły te halo. Nie potrzebujemy aż tak dużo fizyki, aby to zrozumieć – wystarczy rozkład ciemnej materii i jak na nią wpływa grawitacja. Formowanie masywnych czarnych dziur wymaga regionu, w którym intensywnie i szybko zbiega się dużo materii.

Gdy zespół badawczy odkrył te miejsca formowania czarnych dziur w swojej symulacji, pierwsze pojawiło się zdumienie – mówi John Regan, badacz z Centrum Astrofizyki i Relatywistyki na Dublin City University. Wcześniej przyjmowany schemat mówił, że masywne czarne dziury mogą powstawać tylko w obecności dużej ilości promieniowania z pobliskich galaktyk.

“Wcześniejsze teorie wskazywały, że procesy te mogą zachodzić tylko wtedy gdy takie miejsca były wystawione na duże ilości morderczego promieniowania nowo powstających gwiazd. Gdy jednak zaczęliśmy zagłębiać się w ten temat, dostrzegliśmy, że miejsca te przechodziły etap ekstremalnie szybkiego wzrostu. To była kluczowa informacja. Gwałtowna i burzliwa natura gwałtownego gromadzenia się materii, gwałtowne zderzanie się materii nowej galaktyki uniemożliwiało uruchomienie procesów gwiazdotwórczych, dzięki czemu powstawały tam idealne warunki do powstawania czarnych dziur. Nasze badania zmieniają wcześniej przyjmowane założenia i otwierają przed nami zupełnie nowy obszar badań”.

Wcześniejsze teorie mówiły, że intensywne promieniowanie ultrafioletowe z pobliskich galaktyk uniemożliwiało formowanie się nowych gwiazd w halo obszaru tworzenia czarnej dziury – mówi Michael Norman, dyrektor San Diego Supercomputer Center i jeden z autorów pracy. “Podczas gdy promieniowanie UV jest wciąż jakimś czynnikiem, nasze prace wskazują, że nie jest to czynnik dominujący, przynajmniej nie w naszych symulacjach” tłumaczy.

Badania oparto na pakiecie symulacji Renaissance, zestawie danych o objętości 70 terabajtów, stworzonym na superkomputerze Blue Waters w latach 2011-2014, aby pomóc naukowcom zrozumieć jak wszechświat ewoluował na początku swojego istnienia. Aby dowiedzieć się więcej o konkretnych regionach, w których miały możliwość rozwinąć się masywne czarne dziury, badacze przeanalizowali dane z symulacji i odkryli dziesięć konkretnych halo ciemnej materii, w których – zważając na ich masę – powinny powstawać gwiazdy, ale jedynie zawierały gęste obłoki gazu. Wykorzystując superkomputer Stampede2 badacze przeprowadzili ponowne symulacje dwóch z tych halo – każde z nich o średnicy około 2400 lat świetlnych – z dużo większą rozdzielczością, aby zrozumieć szczegóły tego co się dzieje w ich wnętrzach 270 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

“To właśnie w tych przesadnie gęstych regionach wszechświata dostrzegliśmy procesy formowania masywnych czarnych dziur” mówi Wise. “Ciemna materia odpowiada za większość grawitacji, która sprawia, że duże ilości gazu spływają do tego potencjału grawitacyjnego, dzięki czemu mogą powstawać albo gwiazdy albo masywne czarne dziury”.

Symulacje Renaissance są najpełniejszymi symulacjami wczesnych etapów grawitacyjnego gromadzenia się czystego gazu złożonego z wodoru i helu i zimnej ciemnej materii, które stanowiło początek procesów powstawania pierwszych gwiazd i galaktyk. Wykorzystywana przez nie technika pozwala przyglądać się zagęszczeniom materii, w których powstają gwiazdy i carne dziury. Dodatkowo, obejmują one wystarczająco duży obszar wczesnego wszechświata, aby powstawały w nim tysiące obiektów – co jest niezbędne jeżeli interesują nas rzadko występujące obiekty – tak jak w tym przypadku. “Do osiągnięcia tych wyników potrzebowaliśmy wysokiej rozdzielczości, bogatej fizyki i dużej próbki zapadających się halo ciemnej materii” mówi Norman.

Wyższa rozdzielczość symulacji uzyskana dla dwóch obszarów pozwoliła naukowcom dostrzec turbulencje oraz dopływ gazu i tworzenie się zagęszczeń materii gdy czarne dziury stopniowo zaczynały się kondensować i rotować. Tempo ich wzrostu było dramatycznie wysokie.

Zbliżenie na wewnętrzne 30 lat świetlnych halo ciemnej materii. Rotujący dysk gazu rozrywa się na trzy zagęszczenia, które zapadają się pod wpływem własnej grawitacji, tworząc supermasywne gwiazdy. Źródło: John Wise, Georgia Tech

“Astronomowie obserwują supermasywne czarne dziury, które osiągnęły masę miliarda mas słońca w ciągu 800 milionów lat” mówi Wise. “Osiągnięcie takiej masy wymagało intensywnego zbierania się masy w tym regionie. Oczekiwalibyśmy tego w regionach gdzie na początku wszechświata powstawały pierwsze galaktyki””.

Inną kwestią jest fakt, że halo, które dawały początek czarnym dziurom mgły być bardziej powszechne niż wcześniej uważano.

“Ekscytującym elementem tych badań jest odkrycie, że tego typu halo, choć rzadkie, może występować wystarczająco często” mówi Brian O’Shea, profesor na Michigan State University. “Przewidujemy, że ten scenariusz mógł zachodzić wystarczająco często aby mógł być początkiem większości masywnych czarnych dziur obserwowanych nie tylko na początku wszechświata, ale także w obecnych galaktykach”.

W ramach przyszłych badań prowadzonych na podstawie tych symulacji, naukowcy chcą przyjrzeć się cyklowi życia tych galaktyk, w których powstawały e czarne dziury, analizując przy tym formowanie się, wzrost i ewolucję pierwszych masywnych czarnych dziur. “Naszym kolejnym celem jest zbadanie dalszej ewolucji tych egzotycznych obiektów. Gdzie dzisiaj znajdują się te czarne dziury? Czy możemy je wykryć w lokalnym wszechświecie lub w falach grawitacyjnych?”

Źródło: Georgia Institute of Technology

Artykuł naukowy: http://dx.doi.org/10.1038/s41586-019-0873-4