Illustrasjon av det tidlige universet. Bildekreditt: NASA. Klikk for å forstørre.
Det hele begynte for lenge siden, mens universet var veldig ungt. De tidligste massive oppdretterstjernene boltret seg i ungdommen - snurret og kavorterte blant rike grønne gress av jomfruelig materie. Mens den tildelte tiden deres spilte, kokte kjernefysiske motorer av ekspansive strømmer av varmt hydrogen og heliumgass - og beriket det interstellare mediet. I løpet av denne fasen dannet supermassive stjerneklynger i små lommer nær begynnende galaktiske kjerner - hver klynge en svømmetur i små regioner av primordial mini-halo-materie.
Etter å ha fullført syklusen eksploderte de tidligste avlsstjernene og spyte ut tunge atomer. Men før for mye tung materie samlet seg i universet, vokste de tidligste sorte hullene seg, vokste raskt gjennom gjensidig assimilering, og akkumulerte nok gravitasjonspåvirkning til å trekke "Goldilocks" -gasser med presise temperaturer og sammensetning til store brede akkresjonsskiver. Denne superkritiske vekstfasen modnet de tidligste massive sorte hullene (MBH-er) raskt til supermassivt svart hull (SMBH) -status. Ut av dette bodde de tidligste kvasarene i de smeltede mini-haloene til en rekke protogalakser.
Dette bildet av tidlig kvasardannelse kom frem fra en fersk artikkel (publisert 2. juni 2005) med tittelen "Rapid Growth of High Redshift Black Holes" skrevet av Cambridge UK kosmologer Martin J. Rees og Marta Volonteri. Denne studien behandler muligheten for at et kort vindu med rask SMBH-dannelse åpnet etter tiden med universell gjennomsiktighet, men før gasser i det interstellare mediet fullstendig ioniseres gjennom stjernestråling og sådd med tungmetaller av supernovaer. Rees-Volonteri-modellen prøver å forklare fakta som kommer ut av Sloan Digital Sky Survey (SDSS) datasettet. Innen 1 milliard år etter Big Bang hadde allerede mange sterkt strålende kvasarer dannet seg. Hver med SMBH-er som har masser som overstiger 1 milliard sol. Disse hadde oppstått fra "såkornsorte hull" - gravitasjonssindre som ble etterlatt etter den tidligste syklusen av supernovaer kollapset blant de første massive galaktiske klyngene. Etter en milliard år etter Big Bang var det alt annet enn over. Hvordan kunne så mye masse kondensere så raskt i så små romområder?
I følge Volontari og Rees, "For å dyrke slike frø opp til 1 milliard solmasser krever en nesten kontinuerlig akkresjon av gass ..." Å jobbe mot en så høy tilskuddsrate, er det faktum at stråling fra materie som faller ned i et svart hull typisk oppveier hurtig " vektøkning". De fleste modeller av SMBH-vekst viser at omtrent 30% av massen som faller mot et mellomliggende (massivt - ikke supermassivt) svart hull, omdannes til stråling. Effekten av dette er todelt: Materiale som ellers vil mate MBH er tapt for stråling, og utvendig strålingstrykk kveler marsjen av tilleggsstoff innover for å mate rask vekst.
Nøkkelen til å forstå rask SMBH-dannelse ligger i muligheten for at tidlige akkresjonsskiver rundt MBH-er ikke var så optisk tette som de er i dag - men "fete" med tett fordelt materiale. Under slike forhold har stråling en større gjennomsnittsfri bane og kan slippe utover disker uten å hindre materiell bevegelse innover. Drivstoff som driver hele SMBH-vekstprosessen blir levert innholdsrikt inn i begivenhetshorisonten på svart hull. I mellomtiden var typestoffet som var til stede i den tidligste epoken, hovedsakelig monatomisk hydrogen og helium - ikke den typen tungmetallrike tilskuddsskiver fra en senere tid. Alt dette antyder at tidlige MBH-er vokste opp i en hast, og til slutt sto for de mange fullt modne kvasarene som ble sett i SDSS-datasettet. Slike tidlige MBH-er må ha hatt masse-energi-konverteringsforhold som er mer typiske for fullt modne SMBH-er enn MBH-ene i dag.
Volontari og Rees sier at tidligere etterforskere har vist at fullt utviklede "kvasarer har en masseenergi-konverteringseffektivitet på omtrent 10% ..." Paret advarer imidlertid om at denne masseenergi-konverteringsverdien kommer ut av studier av kvasarer fra en senere periode i Universal utvidelse og at "ingenting er kjent om den strålende effektiviteten til pregalaktiske kvasarer i det tidlige universet." Av den grunn kan "det bildet vi har av det lave rødskiftuniverset ikke gjelde tidligere." Det er klart at det tidlige universet var mer tettpakket med materie, materien hadde en høyere temperatur, og det var et høyere forhold mellom ikke-metaller og metaller. Alle disse faktorene sier at det er nesten hvem som helst er den beste gjetningen på masseenergi-konverteringseffektiviteten til tidlige MBH-er. Siden vi nå må redegjøre for hvorfor det eksisterer så mange SMBH-er blant tidlige kvasarer, er det fornuftig at Volontari og Rees bruker det de vet om dagens akkresjonsskiver som et middel til å forklare hvordan de slike disker kan ha vært annerledes i fortiden.
Og det er de tidligste tider - før stråling fra mange stjerner re-ioniserte gasser i det mellomstjernede mediet - som ga forhold som er modne for rask SMBH-dannelse. Slike forhold kan godt ha vart i mindre enn 100 millioner år og krevd en god balanse i temperatur, tetthet, distribusjon og sammensetning av materie i universet.
For å få et fullstendig bilde (som malt i papiret), begynner vi med ideen om at det tidlige universet var befolket av utallige mini-haloer bestående av mørk og baryonisk materie med svært massive, men svært tette stjerneklynger midt i mellom. På grunn av tettheten av disse klyngene - og massen av stjernene som består av dem - utviklet supernovaene seg raskt for å gyte mange "frøsvarte hull". Disse frø BH-ene samles sammen i enorme sorte hull. I mellomtiden bragte gravitasjonskrefter og virkelige bevegelser raskt de forskjellige mini-haloerene sammen. Dette skapte stadig mer massevis av haloer som kan mate MBH-er.
I det tidlige universet tok materie som omgir MBH-er form av enorme metallfattige sfærer med hydrogen og helium i gjennomsnitt 8000 grader Kelvin i temperatur. Ved så høye temperaturer forblir atomer ioniserte. På grunn av ionisering var det få elektroner tilknyttet atomer for å fungere som fotonfeller. Effektene av strålingstrykk reduserte til det punktet hvor materien lettere falt ned i en begivenhetshorisont for sorte hull. I mellomtiden sprer gratiselektroner seg lys. Noe av det lyset stråler faktisk tilbake mot akkresjonsskiven og en annen massekilde - i form av energi - mater systemet. Endelig en mangel på tungmetaller - som oksygen, karbon og nitrogen - betyr at monotom atomer forblir varme. For når temperaturene faller under 4000 grader K, avioniserer atomer og blir igjen utsatt for strålingstrykk som reduserer fluksen av friskt materiale som faller inn i BH-hendelseshorisonten. Alle disse rent fysiske egenskapene hadde en tendens til å presse forholdet mellom energieffektivitet ned - slik at MBH-er raskt kunne vektes.
I mellomtiden mens mini-haloer koaleserte, kondenserte varm baryonisk materiale til enorme "tykke" disker - ikke de tynne ringene som ses rundt SMBHs i dag. Dette ble til fordi halo-saken i seg selv omgav de raskt voksende MBH-ene. Denne sfæriske fordeling av materie ga en konstant kilde til frisk, varm, jomfruelig materie for å mate utskillingsskiven fra en rekke vinkler. Tykke disker betydde større mengder stoff ved lavere optisk tetthet. Nok en gang klarte saken å unngå å bli "solseilt" utover fra den truende kløften til MBH, og masseenergi-konverteringsforhold falt.
Begge faktorene - fettdisketter og ioniserte, lave masse-atomer - sier at i løpet av gullalderen til et tidlig grønt univers, vokste MBH-er raskt opp. I løpet av en milliard år etter Big Bang hadde de slått seg ned i en relativt stille modenhet og effektivt konvertert materie til lys og kastet dette lyset over store rekkevidder av tid og rom til et potensielt stadig utvidende univers.
Skrevet av Jeff Barbour
