Astronomer har funnet noen ekstremt gamle supermassive sorte hull, de som dannet seg da universet var ganske ung. Men de var forundret over hvordan et svart hull kunne vokse til så enorm størrelse når Universet i seg selv bare var en pjokk.
Astronomer har nå funnet et unikt sett med forhold som var til stede en halv milliard år etter Big Bang som gjorde at disse monster-sorte hullene kunne dannes. En uvanlig kilde til intens stråling skapte det som kalles "direkte kollaps sorte hull."
"Det er et kosmisk mirakel," sa Volker Bromm fra University of Texas i Austin, som jobbet med flere astronomer om funnet. "Det er den eneste gangen i universets historie når forholdene er riktig for dem å danne."
Den konvensjonelle forståelsen av hvordan sorte hull dannes kalles akkresjonsteorien, der en ekstremt massiv stjerne kollapser og svart hull “frø” bygges fra sammenbruddet ved å trekke inn gass fra omgivelsene og ved sammenslåing av mindre sorte hull. Men den prosessen tar lang tid, mye lenger enn tiden disse raskt dannende sorte hullene var rundt. I tillegg hadde det tidlige universet ikke mengdene med gass og støv som trengs for at supermassive sorte hull kunne vokse til sin gigantiske størrelse.
De nye funnene antyder i stedet at noen av de første svarte hullene dannet seg direkte når en sky av gass kollapset, og omgåte andre mellomfaser, for eksempel dannelse og etterfølgende ødeleggelse av en massiv stjerne.
Som alle sorte hull kan selvfølgelig disse "direkte kollaps" sorte hull ikke sees. Men det var sterke bevis for deres eksistens, ettersom de er nødvendige for å drive de sterkt lysende kvasarene som ble oppdaget i det unge universet. En kvasars store lysstyrke kommer fra materie som spiraler inn i et supermassivt svart hull, oppvarming til millioner av grader, og skaper jetfly som lyser som beacons over hele universet. Men siden akkresjonsteorien ikke forklarer supermassive sorte hull i ekstremt fjerne - og derfor unge - univers, kunne astronomer heller ikke forklare kvasarene. Dette har blitt kalt "kvasarfrøproblemet."
"Kvasarene som ble observert i det tidlige universet ligner gigantiske babyer i et fødestue fullt av normale spedbarn," sa Avi Loeb fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, som jobbet med Bromm. ”Man lurer på: hva er spesielt med miljøet som pleide disse gigantiske babyene? Kaldgassreservoaret i nærliggende galakser som Melkeveien blir vanligvis konsumert av stjernedannelse. "
Men i 2003 kom Bromm og Loeb på en teoretisk ide om å få en tidlig galakse til å danne et supermassivt frøsvart hull, ved å undertrykke det ellers uoverkommelige energiinntaket fra stjernedannelse. De kalte prosessen "direkte kollaps."
"Begynn med en" urskyfri av hydrogen og helium, forurenset i et hav av ultrafiolett stråling, "sa Bromm. “Du knuser denne skyen i gravitasjonsfeltet til en mørk materie-glorie. Normalt vil skyen være i stand til å avkjøle seg, og fragmentere for å danne stjerner. Imidlertid holder de ultrafiolette fotonene gassen varm, og undertrykker all stjerneformasjon. Dette er de ønskede, nesten mirakuløse forholdene: kollaps uten fragmentering! Etter hvert som gassen blir mer og mer kompakt, har du til slutt betingelsene for et massivt svart hull. ”
Dette settet med kosmiske forhold ser ut til å ha eksistert bare i det ganske tidlige universet, og denne prosessen skjer ikke i galakser i dag.
For å teste teorien deres begynte Bromm, Loeb og deres kollega Aaron Smith å studere en galakse kalt CR7, identifisert av en Hubble-romteleskopundersøkelse kalt COSMOS som omlag mindre enn 1 milliard år etter Big Bang.
David Sobral fra Universitetet i Lisboa hadde gjort oppfølgingsobservasjoner av CR7 med noen av verdens største bakkebaserte teleskoper, inkludert Keck og VLT. Disse avdekket noen ekstremt uvanlige funksjoner i lyssignaturen fra CR7. Spesifikt var Lyman-alpha-hydrogenlinjen flere ganger lysere enn forventet. Bemerkelsesverdig nok viste spekteret også en uvanlig lys heliumlinje.
"Uansett hva som driver denne kilden er veldig varmt - varmt nok til å ionisere helium," sa Smith, omtrent 100 000 grader.
Disse og andre uvanlige trekk i spekteret betydde at det enten kunne være en klynge av eldstjerner eller et supermassivt svart hull som sannsynligvis ble dannet ved direkte kollaps.
Smith kjørte simuleringer for begge scenariene, og mens stjerneklyngscenariet "spektakulært mislyktes," sa Smith, fungerte modellen med direkte hull i svart hull godt.
Tidligere i år brukte forskere kombinert data fra Chandra røntgenobservatorium, Hubble romteleskop og Spitzer romteleskop for å identifisere disse mulige sorte hullfrøene. De fant to objekter, begge disse stemte overens med den teoretiske profilen i de infrarøde dataene. (les avisen her.)
Det ser ut til at astronomer “konvergerer om denne modellen,” sa Smith, for å løse problemet med kvasarfrø og den tidlige sorte hullsundingen.
Følg med.
Bromm, Loeb og Smiths arbeid er publisert i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
kilder:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, pressemelding for NASAs påvisning av sorte hull i direkte kollaps tidligere i år.
