Afskalning af frøene fra de første supermassive sorte huller

Selvom deres eksistens er ubestridelig, astronomer over hele verden er stadig usikre på, hvor supermassive sorte huller faktisk dannes. Et EU-finansieret projekt har sat sig for at besvare dette spørgsmål ved at simulere dannelsen og væksten af ​​deres frø – sorte huller, der opstår, når en ekstremt massiv stjerne kollapser.

Dette er et af de mest forvirrende spørgsmål inden for astronomi:Hvordan var supermassive sorte huller i stand til at dannes i de tidlige kosmiske tidsaldre? Fjerne lysende kvasarer er blevet observeret, der forråder deres eksistens tilbage, da universet var mindre end en milliard år gammelt. Men her er sagen:Den konventionelle vækstproces af et sort hul er alt for langsom til at tillade deres eksistens.

Der er potentielle forklaringer. Det er blevet sagt, for eksempel, at disse supermassive sorte huller blev født fra eksplosionen af ​​supermassive stjerner, fra sammenbruddet af store gasskyer, eller endda fra kollisioner mellem mindre sorte huller. Teorien, der fastholdt Dr. Muhammad Latifs opmærksomhed, imidlertid, var, at sådanne sorte huller faktisk voksede fra ekstremt store, 'direkte kollaps' frø sorte huller.

Takket være finansiering under FIRSTBHS-projektet (dannelsen af ​​supermassive sorte huller i det tidlige univers), Dr. Latif simulerede dannelsen og væksten af ​​disse frø.

Hvad gør de første supermassive sorte huller så interessante?

De første supermassive sorte huller er meget interessante, da de blev dannet i spædbørnsuniverset, inden for den første milliard år efter Bing Bang, kun en lille brøkdel af universets nuværende alder (13,7 milliarder år). De udfordrer vores forståelse af strukturdannelse i universet.

En god analogi ville være en situation, hvor du ville gå i en børnehave og finde et syv fod højt barn. Du vil selvfølgelig undre dig over, hvordan dette barn nogensinde var i stand til at vokse til sådan en højde. Det er det samme med disse sorte huller:deres masser er milliarder af gange større end vores sols, og det er svært at forstå, hvordan de kunne blive så massive på så kort en tidsramme, da stjerner og galakser lige begyndte at dannes.

Mere specifikt, hvilke videnhuller havde du til hensigt at lukke med dette projekt?

Vi havde til formål at forstå, hvad den mest gennemførlige måde at samle sådanne massive genstande ville være. Der er tre astrofysiske hovedmekanismer, der kan føre til dannelsen af ​​de første supermassive sorte huller. Det mest lovende scenarie er den såkaldte direkte kollapsmetode:Den giver massive frø, hvilket gør deres vækst lettere.

Med dette projekt, vi havde til formål at undersøge gennemførligheden af ​​dette scenarie, hvor massive frøene, den kan give, er, og hvor rigelige er de, sammenligne deres taltæthed med observationer og undersøg i detaljer de underliggende astrofysiske mekanismer. Vi havde yderligere til formål at udlede deres observationssignaturer og lave forudsigelser for kommende rum- og jordbaserede missioner.

Hvordan gik du frem for at gøre det?

Vi udførte såkaldte tredimensionelle kosmologiske simuleringer startende fra ab initio begyndelsesbetingelser ved at modellere alle de nødvendige fysiske processer i detaljer.

Hvad ville du sige var de mest innovative aspekter af denne metode?

Jeg vil sige, at det er multi-fysikken i vores kosmologiske simulering, som omfattede detaljerede kemiske og uløste turbulensmodeller, magnetiske felter, strålingsoverførsel til model UV, Røntgenfeedback fra tiltagende sorte hul og stjerner, samt metalberigelse. Denne tilgang er ud over det nyeste inden for området.

Hvad var de vigtigste resultater fra projektet?

Vores resultater viser, at den direkte kollaps-mekanisme giver massive sorte frøhuller på 10^5 til 10^6 solmasser, som kan vokse og danne de første supermassive sorte huller.

Betingelserne for dannelsen af ​​sådanne objekter er ideelle i det tidlige univers. Især, de uberørte massive glorier oplyst af stærk UV-flux er de potentielle vugger for dannelsen af ​​massive sorte huller. Vores resultater tyder på, at sådanne genstande er sjældne, da de kræver særlige betingelser for at dannes – men det diskuteres stadig blandt eksperter.

Hvad forventer du af JWST- og ATHENA-missionerne?

Vi håber, at JWST vil finde nogle af de sorte frøhuller, da disse fjerne objekter er ret svage i tidlige stadier. Selvfølgelig, det afhænger også af, hvor mange de er, hvilket stadig er et åbent spørgsmål.

ATHENA ser mere lovende ud, da det forventes at detektere et par hundrede lavlysstyrke AGN ved z> 6, som vil hjælpe med at begrænse sorte huls dannelsesmodeller.

Hvad er dine opfølgningsplaner, hvis nogen?

Vi er i øjeblikket ved at undersøge væksten af ​​sorte huller i det tidlige univers, som vi har udført detaljerede simuleringer for. Med mine samarbejdspartnere, vi forsøger at forstå, hvordan feedback fra det sorte hul og stjerner påvirker væksten af ​​sorte huller, og også miljøets rolle, kolde vandløb, der fodrer disse sorte huller, osv. Vi sigter efter at udlede syntetiske observerbare data for E-ELT, Euklid, ATHENA, JWST og SKA, og vi håber, at en sådan tilgang vil hjælpe os til at forstå dannelsen og væksten af ​​de første supermassive sorte huller.