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.
Wspieraj Puls Kosmosu na Patronite.pl
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