Supermassive sorte huller kort efter Big Bang:Sådan sås dem

De er milliarder af gange større end vores sol:hvordan er det muligt, som for nylig observeret, supermassive sorte huller var allerede til stede, da universet, nu 14 milliarder år gammel, var "bare" 800 millioner år gammel? For astrofysikere, dannelsen af ​​disse kosmiske monstre på så kort tid er en ægte videnskabelig hovedpine, hvilket rejser vigtige spørgsmål om den nuværende viden om udviklingen af ​​disse himmellegemer.

En nylig artikel offentliggjort i The Astrophysical Journal , af SISSA Ph.D. studerende Lumen Boco og hans vejleder Andrea Lapi, giver en mulig forklaring på det vanskelige problem. Takket være en original model, teoretiseret af forskerne fra Trieste, undersøgelsen foreslår en meget hurtig dannelsesproces i de indledende faser af udviklingen af ​​supermassive sorte huller, dem, der hidtil anses for langsommere. Beviser, matematisk, at deres eksistens var mulig i det unge univers, resultaterne af forskningen forener den timing, der kræves for deres vækst, med de grænser, som Kosmos tidsalder pålægger. Teorien kan valideres fuldt ud takket være fremtidige gravitationsbølgedetektorer, nemlig Einstein-teleskopet og LISA, men testet i flere grundlæggende aspekter også med det nuværende Advanced LIGO/Virgo system.

Det kosmiske monster, der vokser i centrum af galakser

Forskerne startede deres undersøgelse med et stykke velkendt observationsbevis:væksten af ​​supermassive sorte huller sker i de centrale områder af galakser, forfædre til de nuværende elliptiske galakser, som havde et meget højt gasindhold, og hvor stjernedannelsen var ekstremt intens. "De største stjerner lever kort tid og udvikler sig meget hurtigt til stjernernes sorte huller, så store som adskillige snesevis af solmasser; de er små, men mange dannes i disse galakser." Den tætte gas, der omgiver dem, forklare Boco og Lapi, har en meget kraftig endelig effekt af dynamisk friktion og får dem til at migrere meget hurtigt til galaksens centrum. Størstedelen af ​​de talrige sorte huller, der når de centrale områder, smelter sammen, skaber det supermassive sorte huls frø.

Boco og Lapi fortsætter:"Ifølge klassiske teorier, et supermassivt sort hul vokser i midten af ​​en galakse, der fanger det omgivende stof, primært gas, "vokser den" på sig selv og til sidst fortærer den i en rytme, der er proportional med dens masse. Af denne grund, i de indledende faser af udviklingen, når massen af ​​det sorte hul er lille, væksten er meget langsom. I den udstrækning at, ifølge beregningerne, at nå den observerede masse, milliarder af gange Solens, meget lang tid ville kræve, endnu større end det unge univers' alder." Deres undersøgelse, imidlertid, viste, at tingene kunne gå meget hurtigere end som så.

Det skøre strejf af sorte huller:Hvad forskerne har opdaget

"Vores numeriske beregninger viser, at processen med dynamisk migration og sammensmeltning af stjernernes sorte huller kan få det supermassive sorte huls frø til at nå en masse på mellem 10, 000 og 100, 000 gange Solens på kun 50-100 millioner år." På dette tidspunkt, siger forskerne, "væksten af ​​det centrale sorte hul ifølge den førnævnte direkte tilvækst af gas, forudsat af standardteorien, vil blive meget hurtig, fordi mængden af ​​gas, det vil lykkes med at tiltrække og absorbere, vil blive enorm, og fremherskende på den proces, vi foreslår. Alligevel, netop det faktum at tage udgangspunkt i et så stort frø som forudset af vores mekanisme fremskynder den globale vækst af det supermassive sorte hul og tillader dets dannelse, også i det unge univers. Kort sagt, i lyset af denne teori, vi kan konstatere, at 800 millioner år efter Big Bang, supermassive sorte huller kunne allerede befolke kosmos."

"Kigger" på de supermassive sorte huls frø vokser

Artiklen, udover at illustrere modellen og demonstrere dens effektivitet, foreslår også en metode til at teste det:"Sammensmeltningen af ​​talrige stjernernes sorte huller med frøet af det supermassive sorte hul i midten vil producere gravitationsbølger, som vi forventer at se og studere med nuværende og fremtidige detektorer, " forklarer forskerne. Især gravitationsbølgerne udsendt i de indledende faser, når det centrale sorte huls frø stadig er lille, vil kunne identificeres af de nuværende detektorer som Advanced LIGO/Virgo og fuldt karakteriseres af det fremtidige Einstein-teleskop. De efterfølgende udviklingsfaser af det supermassive sorte hul kunne undersøges takket være den fremtidige detektor LISA, som vil blive opsendt i rummet omkring 2034. På den måde forklare Boco og Lapi, "den proces, vi foreslår, kan valideres i dens forskellige faser, på en komplementær måde, af fremtidige gravitationsbølgedetektorer."

"Denne forskning" konkluderer Andrea Lapi, koordinator for astrofysik- og kosmologigruppen i SISSA, "viser, hvordan vores gruppes studerende og forskere fuldt ud nærmer sig den nye grænse for gravitationsbølger og multi-messenger astronomi. Især, vores hovedmål vil være at udvikle teoretiske modeller, som det, der er udtænkt i dette tilfælde, som tjener til at udnytte den information, der stammer fra eksperimenterne med nuværende og fremtidige gravitationsbølger, derved forhåbentlig give løsninger på uløste problemer forbundet med astrofysik, kosmologi og grundlæggende fysik."