Symulacje komputerowe opracowane przez astrofizyków z Uniwersytetu Tohoku w Japonii pozwoliły na opracowanie nowej teorii opisującej pochodzenie supermasywnych czarnych dziur. Zgodnie z tą teorią, prekursorki supermasywnych czarnych dziur rosną nie tylko pożerając gaz z przestrzeni międzygwiezdnej, ale także same gwiazdy. Taka teoria pozwala wyjaśnić dużą liczbę supermasywnych czarnych dziur obserwowanych obecnie.
Niemal każda galaktyka we współczesnym wszechświecie, posiada supermasywną czarną dziurę w swoim centrum. Masy takich czarnych dziur mogą sięgać nawet kilkunastu miliardów mas Słońca. Mimo to ich pochodzenie wciąż stanowi jedną z największych zagadek astronomii. Popularna teoria obejmuje model bezpośredniego kolapsu, w którym pierwotne obłoki gazu międzygwiezdnego zapadają się pod wpływem własnej grawitacji w supermasywne gwiazdy, które następnie ewoluują, aby wkrótce potem stać się supermasywnymi czarnymi dziurami. Jednak wcześniejsze badania wykazały, że bezpośredni kolaps działa tylko w przypadku czystego gazu składającego się jedynie z wodoru i helu. Cięższe pierwiastki takie jak węgiel i tlen wpływają na dynamikę płynu, przez co zapadający się obłok ulega fragmentacji na wiele mniejszych obłoków, z których powstaje więcej mniejszych gwiazd niż kilka supermasywnych. Teoria bezpośredniego kolapsu czystego gazu nie potrafi ponadto wytłumaczyć dużej liczby supermasywnych czarnych dziur obserwowanych do dzisiaj.
Sunmyon Chon, badacz w Japońskim Towarzystwie Promocji Nauki i na Uniwersytecie Tohoku, wraz ze swoim zespołem wykorzystał japoński superkomputer ATERUI II do przeprowadzenia długoterminowej, trójwymiarowej symulacji wysokiej rozdzielczości, w której przetestował możliwość powstawania supermasywnych gwiazd nawet w gazie wzbogaconym o metale cięższe. Powstawanie gwiazd w obłokach gazowych zawierających cięższe pierwiastki niezwykle ciężko symulować, ze względu na konieczność symulowania także gwałtownych wyrzutów gazu, ale nisesamowita moc obliczeniowa ATERUI II uruchomionego w 2018 r. umożliwiła badaczom pokonanie tej przeszkody. Dzięki temu najnowsze symulacje pozwalają bardziej szczegółowo badać proces powstawania gwiazd z obłoków gazu.
W przeciwieństwie do wcześniejszych przypuszczeń, zespół badawczy odkrył, że supermasywne gwiazdy mogą powstawać z obłoków gazowych wzbogaconych pierwiastkami cięższymi od wodoru i helu. Zgodnie z oczekiwaniami, obłok gazowy ulega gwałtownej fragmentacji, a z poszczególnych jego fragmentów powstaje wiele mniejszych gwiazd. Niemniej jednak, w kierunku centrum obłoku płynie silny strumień gazu; mniejsze gwiazdy ulegają mu i z czasem pochłaniane są przez masywne gwiazdy znajdujące się w centrum. Symulacje zakończyły się powstaniem masywnej gwiazdy o masie ponad 10 000 mas Słońca.
Po raz pierwszy udało nam się w symulacji doprowadzić do powstania tak dużej prekursorki czarnej dziury w obłoku pełnym ciężkich pierwiastków. Wydaje nam się, że powstała w ten sposób masywna gwiazda będzie dalej rosła, a z czasem zostanie po niej gigantyczna czarna dziura – mówi Chon.
Najnowszy model wskazuje, że nie tylko pierwotny gaz (wodór i hel), ale także gaz wzbogaconymi cięższymi pierwiastkami może prowadzić do powstania gigantycznych gwiazd, które mogą być zalążkami potężnych czarnych dziur.
Nasz model jest w stanie wyjaśnić pochodzenie większej liczby czarnych dziur niż wcześniejsze teorie. Wydaje nam się, że uzyskane przez nas wyniki prowadzą nas do wiedzy o pochodzeniu supermasywnych czarnych dziur.
mówi Kazuyuki Omukai, profesor z Uniwersytetu Tohoku