Fødsel af massive sorte huller i det tidlige univers afsløret

Lyset, der frigives fra omkring de første massive sorte huller i universet, er så intenst, at det er i stand til at nå teleskoper over hele universets flade. Utroligt, lyset fra de fjerneste sorte huller (eller kvasarer) har rejst til os i mere end 13 milliarder lysår. Imidlertid, vi ved ikke, hvordan disse monster sorte huller blev dannet.

Ny forskning ledet af forskere fra Georgia Institute of Technology, Dublin City University, Michigan State University, University of California i San Diego, San Diego Supercomputer Center og IBM, giver en ny og ekstremt lovende vej til at løse denne kosmiske gåde. Holdet viste, at når galakser samles ekstremt hurtigt - og nogle gange voldsomt - kan det føre til dannelsen af ​​meget massive sorte huller. I disse sjældne galakser, normal stjernedannelse afbrydes, og sorte huls dannelse tager over.

Den nye undersøgelse finder, at massive sorte huller dannes i tætte stjerneløse områder, der vokser hurtigt, vende op og ned på den længe accepterede tro på, at massiv sort huldannelse var begrænset til regioner bombarderet af den kraftige stråling fra nærliggende galakser. Konklusioner af undersøgelsen, rapporteret den 23. januar i bladet Natur og støttet af finansiering fra National Science Foundation, Den Europæiske Union og NASA, finder også, at massive sorte huller er meget mere almindelige i universet end tidligere antaget.

Nøglekriterierne for at bestemme, hvor massive sorte huller dannet under universets spæde barndom, er relateret til den hurtige vækst af præ-galaktiske gasskyer, der er forløberne for alle nutidens galakser, hvilket betyder, at de fleste supermassive sorte huller har en fælles oprindelse, der dannes i dette nyopdagede scenarie, sagde John Wise, en lektor i Center for Relativistisk Astrofysik ved Georgia Tech og papirets tilsvarende forfatter. Mørkt stof kollapser til glorier, der er gravitationslimen for alle galakser. Tidlig hurtig vækst af disse haloer forhindrede dannelsen af ​​stjerner, der ville have konkurreret med sorte huller om gasformigt stof, der strømmer ind i området.

"I dette studie, vi har afsløret en helt ny mekanisme, der sætter gang i dannelsen af ​​massive sorte huller, især glorier af mørkt stof, " sagde Wise. "I stedet for bare at overveje stråling, vi skal se på, hvor hurtigt glorierne vokser. Vi behøver ikke så meget fysik for at forstå det – bare hvordan det mørke stof er fordelt, og hvordan tyngdekraften vil påvirke det. At danne et massivt sort hul kræver at være i et sjældent område med en intens konvergens af stof."

Da forskerholdet fandt disse sorte huls dannelsessteder i simuleringen, de var først forvirrede, sagde John Regan, forskningsstipendiat i Center for Astrophysics and Relativity i Dublin City University. Det tidligere accepterede paradigme var, at massive sorte huller kun kunne dannes, når de blev udsat for høje niveauer af nærliggende stråling.

"Tidligere teorier foreslog, at dette kun skulle ske, når stederne blev udsat for høje niveauer af stjernedannelse, der dræber stråling, " sagde han. "Da vi dykkede dybere, vi så, at disse websteder gennemgik en periode med ekstrem hurtig vækst. Det var nøglen. Den voldsomme og turbulente karakter af den hurtige forsamling, den voldsomme sammenstyrtning af galaksens fundamenter under galaksens fødsel forhindrede normal stjernedannelse og førte i stedet til perfekte forhold for dannelse af sorte hul. Denne forskning flytter det tidligere paradigme og åbner et helt nyt forskningsområde."

Den tidligere teori stolede på intens ultraviolet stråling fra en nærliggende galakse for at hæmme dannelsen af ​​stjerner i den sorte hul-dannende glorie, sagde Michael Norman, direktør for San Diego Supercomputer Center ved UC San Diego og en af ​​værkets forfattere. "Mens UV-stråling stadig er en faktor, vores arbejde har vist, at det ikke er den dominerende faktor, i hvert fald i vores simuleringer, "forklarede han.

Forskningen var baseret på Renaissance Simulation suite, et datasæt på 70 terabyte skabt på Blue Waters supercomputer mellem 2011 og 2014 for at hjælpe videnskabsmænd med at forstå, hvordan universet udviklede sig i dets første år. For at lære mere om specifikke regioner, hvor der sandsynligvis ville udvikle sig massive sorte huller, forskerne undersøgte simuleringsdataene og fandt ti specifikke haloer af mørkt stof, der burde have dannet stjerner givet deres masse, men som kun indeholdt en tæt gassky. Ved at bruge Stampede2 supercomputeren, de re-simulerede to af disse glorier – hver omkring 2, 400 lysår på tværs - i meget højere opløsning for at forstå detaljer om, hvad der skete i dem 270 millioner år efter Big Bang.

"Det var kun i disse alt for tætte områder af universet, at vi så disse sorte huller dannes, " sagde Wise. "Det mørke stof skaber det meste af tyngdekraften, og så falder gassen ind i det gravitationspotentiale, hvor den kan danne stjerner eller et massivt sort hul."

Renæssancesimuleringerne er de mest omfattende simuleringer af de tidligste stadier af gravitationssamlingen af ​​den uberørte gas, der består af brint og helium og koldt mørkt stof, der fører til dannelsen af ​​de første stjerner og galakser. De bruger en teknik kendt som adaptiv mesh-forfining til at zoome ind på tætte klumper, der danner stjerner eller sorte huller. Ud over, de dækker et stort nok område af det tidlige univers til at danne tusindvis af objekter - et krav, hvis man er interesseret i sjældne objekter, som det er tilfældet her. "Den høje opløsning, rig fysik og store prøver af kollapsende glorier var alt sammen nødvendige for at opnå dette resultat, " sagde Norman.

Den forbedrede opløsning af simuleringen udført for to kandidatregioner gjorde det muligt for forskerne at se turbulens og tilstrømningen af ​​gas og klumper af stof dannes, da de sorte huls forstadier begyndte at kondensere og spinde. Deres vækstrate var dramatisk.

"Astronomers observe supermassive black holes that have grown to a billion solar masses in 800 million years, " Wise said. "Doing that required an intense convergence of mass in that region. You would expect that in regions where galaxies were forming at very early times."

Another aspect of the research is that the halos that give birth to black holes may be more common than previously believed.

"An exciting component of this work is the discovery that these types of halos, though rare, may be common enough, " said Brian O'Shea, a professor at Michigan State University. "We predict that this scenario would happen enough to be the origin of the most massive black holes that are observed, both early in the universe and in galaxies at the present day."

Future work with these simulations will look at the lifecycle of these massive black hole formation galaxies, studying the formation, growth and evolution of the first massive black holes across time. "Our next goal is to probe the further evolution of these exotic objects. Where are these black holes today? Can we detect evidence of them in the local universe or with gravitational waves?" Regan asked.

For these new answers, the research team—and others—may return to the simulations.

"The Renaissance Simulations are sufficiently rich that other discoveries can be made using data already computed, " said Norman. "For this reason we have created a public archive at SDSC containing called the Renaissance Simulations Laboratory where others can pursue questions of their own."