Ser tilbage i tiden for at se efter en anden slags sort hul

Sorte huller dannes, når stjerner dør, lader stoffet i dem falde sammen til et ekstremt tæt objekt, hvorfra ikke engang lys kan undslippe. Astronomer teoretiserer, at massive sorte huller også kan dannes ved fødslen af ​​en galakse, men indtil videre har ingen været i stand til at se langt nok tilbage i tiden til at observere forholdene, der skaber disse direkte kollaps sorte huller (DCBH).

James Webb rumteleskopet, planlagt til lancering i 2021, måske være i stand til at se langt nok tilbage i det tidlige univers til at se en galakse, der er vært for et begyndende massivt sort hul. Nu, en simulering udført af forskere ved Georgia Institute of Technology har foreslået, hvad astronomer skal kigge efter, hvis de søger i himlen efter en DCBH i dens tidlige stadier.

Den første af sin slags simulering, rapporteret 10. september i bladet Natur astronomi , antyder, at direkte dannelse af disse sorte huller ville blive ledsaget af specifikke former for intens stråling, inklusive røntgenstråler og ultraviolet emission, der ville skifte til infrarød, når de når teleskopet. De sorte huller ville sandsynligvis også afføde massive metalfrie stjerner, et fund, der var uventet.

Forskningen blev støttet af NASA, Los Alamos National Laboratory, National Science Foundation, Southern Regional Education Board og to Hubble-teorilegater.

"Der er supermassive sorte huller i centrum af mange store galakser, men vi har ikke været i stand til at observere, hvordan de dannes, eller hvordan de blev så store, " sagde Kirk S. S. Barrow, avisens første forfatter og en nylig ph.d. uddannet fra Georgia Tech's School of Physics. "Forskere har teoretiseret, at disse supermassive sorte huller kunne være dannet ved fødslen af ​​en galakse, og vi ønskede at omdanne disse teoretiske forudsigelser til observationsforudsigelser, som kunne ses af James Webb Space Telescope."

DCBH-dannelse ville blive initieret af kollapset af en stor gassky under den tidlige dannelse af en galakse, sagde John H. Wise, en professor ved Georgia Tech's School of Physics og Center for Relativistic Astrophysics. Men før astronomer kunne håbe på at fange denne formation, de skulle vide, hvad de skulle kigge efter i de spektre, som teleskopet kunne opdage, som primært er infrarød.

Dannelsen af ​​et sort hul kunne kræve en million år eller deromkring, men at forestille sig, hvordan det kunne have set ud, tidligere postdoc-forsker Aycin Aykutalp - nu ved Los Alamos National Laboratory - brugte den National Science Foundation-støttede Stampede Supercomputer ved University of Texas i Austin til at køre en simulering med fokus på eftervirkningerne af DCBH-dannelse. Simulationen brugte fysiks første principper såsom tyngdekraft, stråling og hydrodynamik.

"Hvis galaksen dannes først og derefter det sorte hul dannes i midten, der ville have én type signatur, " sagde Wise. "Hvis det sorte hul dannedes først, ville det have en anden signatur? Vi ville finde ud af, om der ville være fysiske forskelle, og i så fald om det ville udmønte sig i forskelle, vi kunne observere med James Webb Space Telescope."

Simuleringerne gav information såsom tætheder og temperaturer, og Barrow konverterede disse data til forudsigelser for, hvad der kunne observeres gennem teleskopet - det lys, der sandsynligvis vil blive observeret, og hvordan det ville blive påvirket af gas og støv, det ville have mødt på sin lange rejse til Jorden. "I slutningen, vi havde noget, som en observatør forhåbentlig kunne se, " sagde Barrow.

Sorte huller tager omkring en million år at danne, et slag i galaktisk tid. I DCBH-simuleringen, det første skridt involverer gas, der kollapser til en supermassiv stjerne så meget som 100, 000 gange mere massiv end vores sol. Stjernen gennemgår derefter gravitationel ustabilitet og kollapser ind i sig selv for at danne et massivt sort hul. Stråling fra det sorte hul udløser derefter dannelsen af ​​stjerner over en periode på omkring 500, 000 år, den foreslåede simulering.

"Stjernerne i denne første generation er normalt meget mere massive, så de lever i kortere tid, " sagde Wise. "I de første fem til seks millioner år efter deres dannelse, de dør og går til supernova. Det er endnu en af ​​signaturerne, som vi rapporterer i denne undersøgelse."

Efter at supernovaerne dannes, det sorte hul falder til ro, men skaber en kamp mellem elektromagnetiske emissioner – ultraviolet lys og røntgenstråler, der forsøger at undslippe – og det sorte huls egen tyngdekraft. "Disse cyklusser fortsætter i yderligere 20 eller 30 millioner år, " sagde Wise.

Sorte huller er relativt almindelige i universet, så håbet er, at med nok snapshots, astronomer kunne fange en blive født, og det kan føre til en ny forståelse af, hvordan galakser udvikler sig over tid.

Stjernedannelse omkring DCBH var uventet, men set i bakspejlet, det giver mening, sagde Barrow. Ioniseringen produceret af de sorte huller ville producere fotokemiske reaktioner, der kunne udløse dannelsen af ​​stjernerne. Metalfri stjerner har tendens til at være større end andre, fordi fraværet af et metal som jern forhindrer fragmentering. Men fordi de er så store, disse stjerner producerer enorme mængder stråling og ender deres liv i supernovaer, han sagde.

"Dette er et af de sidste store mysterier i det tidlige univers, " sagde Barrow. "Vi håber, at denne undersøgelse giver et godt skridt i retning af at finde ud af, hvordan disse supermassive sorte huller blev dannet ved fødslen af ​​en galakse."