Sorte huls frø mangler i kosmisk have

I universets store have, de tungeste sorte huller voksede fra frø. Næret af den gas og støv, de forbrugte, eller ved at smelte sammen med andre tætte genstande, disse frø voksede i størrelse og tyngede til at danne centre for galakser, såsom vores egen Mælkevej. Men i modsætning til planteriget, frøene af kæmpe sorte huller må have været sorte huller, også. Og ingen har nogensinde fundet disse frø – endnu.

En idé er, at supermassive sorte huller - svarende til hundredtusindvis til milliarder af sole i masse - voksede fra en befolkning af mindre sorte huller, som aldrig er blevet set. Denne undvigende gruppe, de "mellemmasse sorte huller, " ville veje et sted mellem 100 og 100, 000 sole. Blandt de hundredvis af sorte huller fundet indtil videre, der har været masser af relativt små, men ingen med sikkerhed i det mellemliggende masseområde "ørken".

Forskere arbejder med kraftfulde rumteleskoper fra NASA, samt andre observatorier, at spore fjerntliggende objekter, der passer til beskrivelsen af ​​disse eksotiske enheder. De har fundet dusinvis af mulige kandidater og arbejder på at bekræfte dem som sorte huller. Men selvom de gør det, der åbner op for et helt nyt mysterium:Hvordan opstod sorte huller med mellemmasse?

"Hvad er fascinerende, og hvorfor folk har brugt så meget tid på at finde disse sorte huller med mellemmasse, er fordi det kaster lys over processer, der skete i det tidlige univers - hvad var masserne af relikvie sorte huller, eller nye dannelsesmekanismer for sorte huller, som vi ikke har tænkt på endnu, " sagde Fiona Harrison, professor i fysik ved Caltech i Pasadena, Californien, og hovedefterforsker for NASAs NuSTAR-mission, som administreres af Jet Propulsion Laboratory.

Sort hul 101

Et sort hul er et ekstremt tæt objekt i rummet, hvorfra intet lys kan undslippe. Når materiale falder ned i et sort hul, det har ingen vej ud. Og jo mere et sort hul spiser, jo mere vokser den i både masse og størrelse.

De mindste sorte huller kaldes "stjernemasse, " med mellem 1 og 100 gange Solens masse. De dannes, når stjerner eksploderer i voldsomme processer kaldet supernovaer.

Supermassive sorte huller, på den anden side, er de centrale ankre i store galakser - f.eks. vores sol og alle andre stjerner i Mælkevejen kredser om et sort hul kaldet Sagittarius A*, der vejer omkring 4,1 millioner solmasser. Et endnu tungere sort hul - med hele 6,5 milliarder solmasser - tjener som midtpunktet for galaksen Messier 87 (M87). M87's supermassive sorte hul dukker op på det berømte billede fra Event Horizon Telescope, viser et sort hul og dets "skygge" for allerførste gang. Denne skygge er forårsaget af begivenhedshorisonten, det sorte huls point of no return, bøjer og fanger lys med sin stærke tyngdekraft.

Supermassive sorte huller har tendens til at have skiver af materiale omkring sig, kaldet "accretion disks, "lavet af ekstremt varmt, højenergipartikler, der skinner klart, når de kommer tættere på begivenhedshorisonten – det sorte huls område uden tilbagevenden. Dem, der får deres skiver til at skinne klart, fordi de spiser meget, kaldes "aktive galaktiske kerner".

Den massefylde, der er nødvendig for at skabe et sort hul, er ufatteligt. At lave et sort hul 50 gange Solens masse, du bliver nødt til at pakke hvad der svarer til 50 sole i en kugle på mindre end 300 kilometer på tværs. Men i tilfældet med M87's midtpunkt, det er, som om 6,5 milliarder sole blev komprimeret til en kugle bredere end Plutos kredsløb. I begge tilfælde tætheden er så høj, at det oprindelige materiale må falde sammen til en singularitet - en rift i rum-tidens stof.

Nøglen til mysteriet om sorte hullers oprindelse er den fysiske grænse for, hvor hurtigt de kan vokse. Selv de gigantiske monstre i centrum af galakser har begrænsninger på deres fødevanvid, fordi en vis mængde materiale skubbes tilbage af den højenergistråling, der kommer fra varme partikler, der accelereres nær begivenhedshorisonten. Bare ved at spise omgivende materiale, et sort hul med lav masse vil måske kun være i stand til at fordoble sin masse om 30 millioner år, for eksempel.

"Hvis du starter fra en masse på 50 solmasser, du kan simpelthen ikke dyrke det til 1 milliard solmasser over 1 milliard år, " sagde Igor Chilingarian, en astrofysiker ved Smithsonian Astrophysical Observatory i Cambridge, Massachusetts, og Moscow State University. Men "som vi ved, der er supermassive sorte huller, der eksisterer mindre end 1 milliard år efter universets dannelse."

Sådan laver du et sort hul, du ikke kan se

Tidligt i universets historie, frøet af et sort hul med mellemmasse kunne være dannet enten ved kollapset af et stort, tæt gassky eller fra en supernovaeksplosion. De allerførste stjerner, der eksploderede i vores univers, havde rent brint og helium i deres ydre lag, med tungere elementer koncentreret i kernen. Dette er en opskrift på et meget mere massivt sort hul end eksploderende moderne stjerner, som er "forurenet" med tunge grundstoffer i deres ydre lag og derfor mister mere masse gennem deres stjernevinde.

"Hvis vi danner sorte huller med 100 solmasser tidligt i universet, nogle af dem burde smelte sammen, men du burde da grundlæggende producere en hel række af masser, og så burde nogle af dem stadig være tilstede, " sagde Tod Strohmayer, astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Så, hvor er de, hvis de blev dannet?"

Et fingerpeg om, at sorte huller med mellemmasse stadig kunne være derude, kom fra National Science Foundations Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), et samarbejde mellem Caltech og Massachusetts Institute of Technology. LIGO detektorer, kombineret med en europæisk facilitet i Italien ved navn Jomfruen, viser mange forskellige sammensmeltninger af sorte huller gennem krusninger i rumtiden kaldet gravitationsbølger.

I 2016 LIGO annoncerede en af ​​de vigtigste videnskabelige opdagelser i det sidste halve århundrede:den første gravitationsbølgedetektering. Specifikt, detektorerne baseret i Livingston, Louisiana, og Hanford, Washington, opfangede signalet om to sorte huller, der smelter sammen. Masserne af disse sorte huller - 29 og 36 gange Solens masse, overraskede videnskabsmænd. Selvom disse stadig ikke er teknisk mellemstore, de er store nok til at løfte øjenbrynene.

Det er muligt, at alle sorte huller med mellemmasse allerede er slået sammen, men også at teknologien ikke er blevet finjusteret til at finde dem.

Så hvor er de?

Det er vanskeligt at lede efter sorte huller i ørkenen med mellemmasse, fordi sorte huller i sig selv ikke udsender lys. Imidlertid, videnskabsmænd kan lede efter specifikke afslørende tegn ved hjælp af sofistikerede teleskoper og andre instrumenter. For eksempel, fordi strømmen af ​​stof til et sort hul ikke er konstant, klumpetheden af ​​forbrugt materiale forårsager visse variationer i lysudbyttet i miljøet. Sådanne ændringer kan ses hurtigere i mindre sorte huller end større.

"På en tidsskala af timer, du kan lave den observationskampagne, der tager måneder for klassiske aktive galaktiske kerner, " sagde Chilingarian.

Den mest lovende sorte hul-kandidat i mellemmasse hedder HLX-1, med en masse på omkring 20, 000 gange Solens. HLX-1 står for "Hyper-Luminous X-ray Source 1, " og dens energiproduktion er meget højere end sollignende stjerner. Den blev opdaget i 2009 af den australske astronom Sean Farrell, ved hjælp af den europæiske rumfartsorganisations XMM-Newton røntgenrumteleskop. En undersøgelse fra 2012 med NASAs Hubble- og Swift-rumteleskoper fandt forslag til en klynge af unge blå stjerner, der kredsede om dette objekt. Det kan engang have været centrum for en dværggalakse, der blev slugt af den større galakse ESO 243-49. Mange forskere betragter HLX-1 som et bevist sort hul med mellemmasse, sagde Harrison.

"Farverne på røntgenlys, det udsender, og bare den måde den opfører sig på, ligner meget et sort hul, " sagde Harrison. "Mange mennesker, inklusive min gruppe, har programmer til at finde ting, der ligner HLX-1, men indtil videre er ingen konsekvente. Men jagten går videre."

Mindre lyse genstande, der kunne være sorte huller med mellemmasse, kaldes ultraluminøse røntgenkilder, eller ULX'er. En flimrende ULX kaldet NGC 5408 X-1 har været særligt spændende for forskere, der leder efter sorte huller med mellemmasse. Men NASAs NuSTAR og Chandra røntgenobservatorier forbløffede videnskabsmænd ved at afsløre, at mange ULX-objekter ikke er sorte huller. I stedet, de er pulsarer - ekstremt tætte stjernerester, der ser ud til at pulsere som fyrtårne.

M82 X-1, den lyseste røntgenkilde i galaksen M82, er et andet meget lyst objekt, der ser ud til at flimre på tidsskalaer, der stemmer overens med et sort hul med mellemmasse. Disse ændringer i lysstyrke er relateret til massen af ​​det sorte hul og er forårsaget af kredsende materiale nær det indre område af tilvækstskiven. En undersøgelse fra 2014 undersøgte specifikke variationer i røntgenlys og anslog, at M82 X-1 har en masse på omkring 400 sole. Forskere brugte arkivdata fra NASAs Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) satellit til at studere disse variationer i røntgenlysstyrken.

Seneste, videnskabsmænd undersøgte en større gruppe af mulige sorte huller med mellemmasse. I 2018, Chilingarian og kolleger beskrev en prøve på 10 kandidater ved at genanalysere optiske data fra Sloan Digital Sky Survey og matche de indledende udsigter med røntgendata fra Chandra og XMM-Newton. De følger nu op med jordbaserede teleskoper i Chile og Arizona. Mar Mezcua fra Spaniens Institut for Rumvidenskab ledede en separat undersøgelse fra 2018, bruger også Chandra-data, at finde 40 voksende sorte huller i dværggalakser, der kunne være i det særlige intermediære masseområde. Men Mezcua og samarbejdspartnere hævder, at disse sorte huller oprindeligt blev dannet ved sammenbrud af gigantiske skyer snarere end ved at stamme fra stjerneeksplosioner.

Hvad er det næste

Dværggalakser er interessante steder at fortsætte med at lede, fordi i teorien, mindre stjernesystemer kunne være vært for sorte huller med meget lavere masse end dem, der findes i centrene af større galakser som vores egen.

Forskere leder også efter kugleformede hobe - sfæriske koncentrationer af stjerner placeret i udkanten af ​​Mælkevejen og andre galakser - af samme grund.

"Det kunne være, der er sorte huller som den, i galakser som den, men hvis de ikke samler en masse stof, det kan være svært at se dem, " sagde Strohmayer.

Mellemmasse sorte hul-jægere venter spændt på opsendelsen af ​​NASAs James Webb-rumteleskop, som vil se tilbage til de første galaksers morgen. Webb vil hjælpe astronomer med at finde ud af, hvad der kom først - galaksen eller dens centrale sorte hul - og hvordan det sorte hul kunne være blevet sat sammen. I kombination med røntgenobservationer, Webbs infrarøde data vil være vigtige for at identificere nogle af de ældste sorte hul-kandidater.

Et andet nyt værktøj lanceret i juli af det russiske rumagentur Roscosmos hedder Spectrum X-Gamma, et rumfartøj, der vil scanne himlen i røntgenstråler, og bærer et instrument med spejle udviklet og bygget med NASA Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama. Gravitationsbølgeinformation, der strømmer fra LIGO-Virgo-samarbejdet, vil også hjælpe med søgningen, det samme vil Den Europæiske Rumorganisations planlagte Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mission.

Denne flåde af nye instrumenter og teknologier, ud over de nuværende, vil hjælpe astronomer, mens de fortsætter med at gennemsøge den kosmiske have for frø af sorte huller, og galakser som vores egen.