Hvordan voksede supermassive sorte huller så hurtigt?

Sorte huller i det tidlige univers udgør lidt af et problem. Baseret på observationer fra teleskoper på Jorden og i rummet, vi ved, at nogle sorte huller voksede til at være en milliard gange solens masse kun en milliard år efter Big Bang. Vores nuværende modeller for vækst af sorte huller, imidlertid, kan ikke forklare denne væksthastighed. Så hvordan opstod disse supermassive sorte huller?

Dette er et problem, der længe har plaget astronomer. Vores nuværende forståelse tyder på, at i denne tidsramme, kun såkaldte mellemmasse sorte huller op til 100, 000 gange vores Sols masse burde have været i stand til at vokse. Og mens flere teorier for denne hurtige tidlige sorte hul-vækst er blevet foreslået, svaret forbliver uhåndgribeligt.

"Det er stadig et stort problem inden for astrofysik, " sagde Dr. John Regan, en astrofysiker fra Dublin City University, Irland.

Sorte huller dannes efter at en massiv stjerne løber tør for brændstof, nogle gange et resultat af en supernova og andre gange uden en supernova, som kaldes det direkte kollaps-scenarie. Når en stjerne ikke har brændstof tilbage at brænde, den kan ikke længere støtte sin masse og kollapser. Hvis stjernens masse var stor nok, det vil kollapse til et objekt med en enorm tyngdekraft, hvorfra intet, ikke engang lys, kan undslippe - et sort hul.

Efterhånden som det sorte hul gradvist trækker mere og mere nærliggende støv og gas ind, kan det vokse i størrelse, til sidst når de gigantiske proportioner af et supermassivt sort hul, som den første, der nogensinde blev fotograferet i april 2019. Forskere undersøger nu, om supermassive sorte huller kunne være dannet fra supermassive stjerner, der kollapsede og dannede store "frø" sorte huller, give dem et forspring i deres vækst.

Dr. Regan koordinerede et projekt kaldet SmartStars, som brugte en af ​​de mest kraftfulde supercomputere i Irland, ICHEC, at modellere, hvordan supergigantiske stjerner kan give kimen til supermassive sorte huller. Holdet ønskede at se, om disse stjerner kunne forklare den hurtige vækst af supermassive sorte huller, som vi ser i centrum af næsten alle galakser i dag.

250, 000

De fandt ud af, at sådanne stjerner kunne vokse op til 250, 000 gange solens masse inden for 200 millioner år efter Big Bang - et fristende resultat. Imidlertid, selv supercomputere har deres begrænsninger. Forskerne var kun i stand til at modellere fremtiden for sådanne stjerner i en million år, men modelleringen skal dække 800 millioner år for at se, om disse stjerner virkelig kunne være frøene til supermassive sorte huller.

"Det er et rigtig godt udgangspunkt, " sagde Dr. Regan. "I løbet af den næste generation af supercomputere vil vi være i stand til at bringe disse simuleringer længere og længere."

Andre teorier om, hvordan disse sorte huller voksede så hurtigt, er, at en lille brøkdel af sorte huller voksede med utrolige hastigheder, eller at mindre sorte huller smeltede sammen for at vokse til et supermassivt sort hul.

Dr. Muhammad Latif, en astrofysiker ved United Arab Emirates University i Abu Dhabi, er enig med Dr. Regan i, at den supermassive stjernemodel forbliver vores bedste teori i øjeblikket. Dr. Latif var hovedefterforsker for FIRSTBHs-projektet, som, som SmartStars, undersøgte plausibiliteten af ​​den supermassive stjernemodel, ved hjælp af simuleringer på en supercomputer i Frankrig.

Hans projekt, som blev udført på CNRS i Frankrig, viste, at supermassive stjerner kunne producere sorte frøhuller hundredtusindvis af gange vores sols masse. "Vi fandt ud af, at denne metode grundlæggende er mulig, " sagde Dr. Latif, forklarer, at disse indledende sorte huller er store nok til at tage højde for væksten af ​​supermassive sorte huller på en milliard solmasser i en lille tidsramme.

Imidlertid, det kræver, at forholdene i det tidlige univers har været helt rigtige for, at disse sorte huller kan dannes. Store mængder materiale lavet af brint og helium ville være nødvendige for at danne nok massive sorte frøhuller til at producere supermassive sorte huller, hvilket ser ud til at have været muligt.

Men andre uforklarlige faktorer betyder, at dette stadig er et åbent spørgsmål. De sorte frøhuller skal trække stof ind med en hastighed på mindst 0,1 solmasser om året, for eksempel, og i øjeblikket er det ikke klart, om dette er muligt.

Observatorier

Adskillige observatorier gør os allerede i stand til at undersøge sorte huller i det tidlige univers med stor detalje. I oktober 2019, astronomer meddelte, at de havde brugt Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile til at finde en tyk ring af støv og gas omkring et supermassivt sort hul inde i en fjern galakse. Med to gasstrømme, der roterer i modsatte retninger, it's thought this ring could have fed the supermassive black hole with enough material to cause it to grow rapidly.

Tidligere, in August 2019, NASA's Chandra X-ray Observatory managed to spot a so-called 'cloaked' black hole growing rapidly when the universe was just 6% of its current age. A thick cloud of gas hides the black hole and its resulting quasar, a bright region of superheated material that surrounds it, but Chandra was able to spot it by seeing X-rays emerge from the cloud.

Imidlertid, future telescopes will likely be needed to study the rapid growth of supermassive black holes in even more detail. For eksempel, while we can predict the existence of seed black holes, we can't yet see them. NASA's upcoming James Webb Space Telescope (JWST), due to launch in 2021, may be capable of spotting some of the undiscovered seed black holes.

The European Space Agency's Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), i mellemtiden, set to launch in 2031, should give us an even better understanding of how supermassive black holes arise.

"People are quite hopeful that we will get a rather better picture with the ATHENA mission, " said Dr. Latif. And maybe soon, we'll finally know how these huge objects grew so big in such a short space of time.

"It's like going to kindergarten and finding a seven-feet tall baby, " added Dr. Latif.