W przeciwieństwie do czarnych dziur rozmiarów gwiazdowych, które tworzą się na skutek zapadania się gwiazd, tak zwane supermasywne czarne dziury rezydujące w centrach galaktyk są bardzo duże - tak olbrzymie, że nie mogą być po prostu końcowymi etapami życia nawet największych gwiazd. Astronomowie czekają więc wciąż na nowe obserwacje mogące pomóc w rozwiązaniu tej zagadki - oraz rozwijają nowe teorie na temat tych tajemniczych obiektów.
Supermasywne czarne dziury (SMBHs) mają masy rzędu setek tysięcy do milionów mas Słońca. Sgr A*, supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum naszej Drogi Mlecznej, ma blisko 4,5 milionów mas Słońca. Tworzenie się takich czarnych dziur jest obecnie uznawane za bezpośrednie następstwo uformowania się “zarodkowej” czarnej dziury o masie około 100 mas Słońca. Takie czarne dziury tworzą się w tym scenariuszu po grawitacyjnym kolapsie bardzo masywnej gwiazdy. Z biegiem czasu zarodek” zbiera i akreuje ze swojego otoczenia większe ilości materii, a nawet łączy się z innymi, pobliskimi czarnymi dziurami zarodkowymi. W rezultacie powstają duże czarne dziury o masach rzędu miliona słonecznych, które obserwujemy dzisiaj.
Ale w ten sposób nie można już wyjaśnić istnienia bardzo masywnych czarnych dziur rezydujących w centrach młodych, bardzo odległych kwazarów z wczesnych epok Wszechświata. W marcowym wydaniu Nature Astronomy John Regan z Institute for Computational Cosmology w Durham opisuje swój model bardzo wczesnego Kosmosu, w którym mogły zajść warunki prowadzące do tworzenia się tak zwanych bezpośrednio zapadających się czarnych dziur (ang. direct-collapse black holes - DCBHs). To obiekty, które formują się w pewnych szczególnych warunkach — takich, które istniały tylko we wczesnym Wszechświecie.
Kwazary to w rzeczywistości dyski akrecyjne wokół supermasywnych czarnych dziur. Podczas wczesnych lat życia galaktyk dyski takie mogą urastać do bardzo dużych rozmiarów i przewyższać swą jasnością całe światło macierzystych galaktyk. Czarna dziura jest wówczas już bardzo masywna - rzędu milionów lub miliardów mas Słońca. Ale w bardzo wczesnym Wszechświecie obiekty takie nie mogły mieć po prostu dość czasu, by tak bardzo urosnąć na drodze akrecji. A do tego każda gwiazda pierwszej generacji duża na tyle, by utworzyć zarodek czarnej dziury, emitowałaby jednocześnie bardzo silne promieniowanie wystarczające do zdmuchnięcia dużych ilości gazu i pyłu ze swego najbliższego otoczenia, skutecznie hamując dalszą akrecję i dalszy wzrost czarnej dziury.
Mechanizm o nazwie DCBH może być odpowiedzialny za zasilanie czarnych dziur w odległych kwazarach. Nie wymagają one paliwa ani czasu, by efektywnie wzrastać. Powstają jako bardzo duże już na początku swego życia skupiska masy, gdy gaz wewnątrz galaktyki kolapsuje bezpośrednio na czarną dziurę, bez żadnych etapów pośrednich. Gdy taki gaz ulega silnemu podgrzaniu, ale nie ma możliwości ponownie się schłodzić, a następnie jest silnie kompresowany przez otaczające galaktykę halo ciemnej materii - zachodzą warunki do powstania tzw. “bezpośrednio zapadającej się” supermasywnej czarnej dziury. Pomysł ten pojawił się już w roku 2003, ale hipotetyczne dowody na istnienie takich właśnie czarnych dziur znaleziono dopiero w roku 2016.
Niedawno zespół Regana opracował symulacje komputerowe pomagające określić, czy wzajemne oddziaływania między pobliskimi protogalaktykami mogły zapoczątkować powstawanie czarnych dziur typu DCBH. Gdy gaz w galaktyce rozgrzewa się, ulega również schładzaniu w jednym z kilku znanych nam już procesów. Prawdopodobnie najczęstsze z tych procesów to formowanie się gwiazd i emitowanie znacznych energii przez “metale” (pierwiastki cięższe od helu, powstające we wnętrzach masywnych gwiazd). Tymczasem obiekty typu DCBH mogą wg. autorów się tworzyć wówczas, gdy galaktyczny gaz zapada się bez obecności któregoś z tych procesów.
Po wykonaniu kilku symulacji grupa Regana znalazła dogodne warunki, dla których ogrzewanie się gazu w galaktykach, w połączeniu z zachodzącymi w jednej z takich pobliskich protogalaktyk okresami bardzo szybkiego i masowego formowania się gwiazd, mogły doprowadzić do tworzenia się czarnych dziur typu DCBH.
Zachodziłoby to z dużym prawdopodobieństwem dla par galaktyk oddalonych od siebie o 200 do 300 parseków. Gdy protogalaktyki w symulacjach były bliżej siebie, gwałtowne powstawanie nowych gwiazd mogło wybijać atomy z cząsteczek gazu lub po prostu odrzucać cały zgromadzony wokół gaz. Bliski “wybuch” (ang, starburst) formacji gwiazdowej mógłby też w takim scenariuszu “zanieczyszczać” pobliskie galaktyki metalami odrzuconymi przez gwiazdy supernowe, a metale te mogły następnie schłodzić gaz i pozwolić w rezultacie na jego fragmentację, prowadzącą do powstawania nowych gwiazd w galaktykach - a nie masywnych czarnych dziur. Ale gdyby galaktyki leżałby z kolei w zbyt dużych odległościach, nie mogłyby oczywiście oddziaływać na swoje dalsze sąsiadki na tyle efektywnie i szybko, by wpływały na ich własne procesy gwiazdotwórcze.
Dodatkowo skala czasowa procesów gwiazdotwórczych musi być ściśle zsynchronizowana ze skalą czasową powstawania gwiazd w pobliskiej protogalaktyce. Jeśli taki “starburst” zajdzie na przykład w niewłaściwym czasie, za późno, galaktyka - sąsiadka mogła już wcześniej rozpocząć formowanie własnych gwiazd, a wówczas warunki do utworzenia się czarnej dziury typu DCBH nie zachodzą.
Wyniki wszystkich przeprowadzonych symulacji mają na celu pokazanie astronomom, jakie właściwie obiekty warto będzie dokładniej zbadać przyszłym, planowanym obecnie na rok 2018 Kosmicznym Teleskopem Webba. Regan i jego koledzy uważają, że to właśnie obserwacje niezbyt od siebie odległych par młodych protogalaktyki mogą dostarczyć im danych, które może potwierdzą słuszność scenariusza DCBH.
Czytaj więcej:
Źródło: astronomy.com
Zdjęcie: młoda galaktyka CR7 “widziana” okiem kosmicznego artysty. Może ona mieć w swym centrum zapadającą się czarną dziurę. Źródło: ESO/M. Kornmesser
