Czarne dziury powstają, gdy umierają gwiazdy, pozwalając materii w nich zawartej zapaść się w wyjątkowo gęsty obiekt, z którego nawet światło nie może uciec. Astronomowie wysunęli hipotezę, że masywne czarne dziury mogą również tworzyć się w momencie narodzin galaktyki, jednak jak dotąd nikt nie był w stanie spojrzeć wystarczająco daleko wstecz w czasie, aby obserwować warunki tworzenia się tych czarnych dziur powstałych w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się gwiazdy (direct collapse black holes – DCBH).
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (James Webb Space Telescope – JWST), którego start zaplanowany jest na 2021 rok, może być w stanie spojrzeć wystarczająco wstecz na wczesny Wszechświat, aby zobaczyć galaktykę, w której znajduje się masywna czarna dziura. Symulacja przeprowadzona przez naukowców z Georgia Institute of Technology w Atlancie sugeruje, na co powinni zwrócić uwagę astronomowie, jeżeli przeglądają niebo pod kątem DCBH we wczesnym etapie.
Pierwsza tego rodzaju symulacja, opublikowana 10 września 2018 roku w czasopiśmie „Nature Astronomy” sugeruje, że bezpośredniemu tworzeniu się tych czarnych dziur towarzyszyłby specyficzny rodzaj promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego, które przesuwało by się w kierunku podczerwieni w czasie, gdy dociera ono do teleskopu. Czarne dziury mogłyby również spowodować pojawienie się masywnych gwiazd pozbawionych metali, czego się dotąd nie spodziewano.
W centrach wielu dużych galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury, jednak astronomowie nie byli w stanie zaobserwować, w jaki sposób one powstały, ani tego, jak osiągnęły tak duże rozmiary. Naukowcy uważają, że obiekty te mogły powstawać w momencie narodzin galaktyk i chcieli zamienić te teoretyczne przewidywania na przewidywania obserwacyjne, których będzie można dokonać przy użyciu JWST.
Tworzenie się DCBH zostałoby zapoczątkowane przez zapadnięcie się dużej chmury gazu podczas wczesnej fazy tworzenia się galaktyki. Jednak zanim astronomowie mogliby mieć nadzieję na uchwycenie tego procesu, musieliby wiedzieć, czego szukać w widmach, głównie w podczerwieni. Wytworzenie się czarnej dziury może wymagać miliona lat, ale żeby sobie wyobrazić, jak mogło to wyglądać, Aycin Aykutalp użył superkomputera Stampede, aby przeprowadzić symulację skupiającą się na następstwie formowania się DCBH. W symulacji wykorzystano prawa fizyki, takie jak grawitacja, promieniowanie i hydrodynamika. Jeżeli galaktyka powstanie jako pierwsza, a następnie w jej wnętrzu czarna dziura, będzie miała jeden rodzaj sygnatury. Gdyby czarna dziura powstała jako pierwsza, czy miałaby inną sygnaturę? Naukowcy chcieliby sprawdzić, czy nie byłoby żadnych fizycznych różnic – a jeżeli byłyby, czy to przełożyłoby się na różnice, które mogliby zaobserwować za pomocą JWST.
Symulacje dostarczyły informacji takich jak gęstość i temperatura, a Kirk S.S. Barrow, pierwszy autor pracy, przekształcił te dane na przewidywania dotyczące tego, co można było zaobserwować za pomocą teleskopu – światło, które prawdopodobnie będzie obserwowane, oraz wpływ, jaki będę miały na nie będzie pył i gaz napotkane podczas podróży do obserwatora.
Utworzenie się czarnej dziury trwa milion lat, ale to zaledwie moment w skali życia galaktyki. W symulacji DCBH pierwszy krok dotyczy tego, że gaz zapada się w supermasywną gwiazdę, która jest 100 tysięcy razy masywniejsza od Słońca. Następnie gwiazda doświadcza niestabilności grawitacyjnej i zapada się w siebie, tworząc masywną czarną dziurę. Jak sugeruje symulacja, promieniowanie z czarnej dziury wyzwala powstawanie gwiazd w ciągu następnych 500 tysięcy lat. Gwiazdy pierwszej generacji są zwykle o wiele bardziej masywne, żyją więc krócej. W ciągu pierwszych pięciu–sześciu milionów lat po utworzeniu umierają i stają się supernowymi. To kolejna sygnatura, która została przedstawiona w badaniu.
Po tym, gdy supernowa powstanie, czarna dziura uspokaja się, ale powoduje zmagania pomiędzy promieniowaniem elektromagnetycznym – światłem ultrafioletowym i promieniowaniem X, próbującymi uciec – oraz swoją własną grawitacją. Cykle te trwają kolejne 20–30 milionów lat. Czarne dziury są dość powszechne we Wszechświecie, jest więc nadzieja, że przy wystarczającej liczbie „migawek” astronomowie będą w stanie złapać jeden taki obiekt w trakcie narodzin, co mogłoby doprowadzić do nowego zrozumienia, jak galaktyki ewoluują w czasie.
Powstawanie gwiazd wokół DCBH było niespodziewane, ale z perspektywy czasu ma sens. Jonizacja wytwarzana przez czarne dziury spowodowałaby reakcje fotochemiczne zdolne do wywołania procesu formowania się gwiazd. Gwiazdy pozbawione metali są większe niż inne, ponieważ brak metalu takiego jak np. żelazo zapobiega podziałowi. Ale ponieważ są one tak duże, produkują ogromne ilości promieniowania i kończą życie jako supernowe.
To ostatnia z wielkich tajemnic wczesnego Wszechświata. Astronomowie mają nadzieję, że to badanie stanowi dobry krok w kierunku ustalenia, w jaki sposób te supermasywne czarne dziury powstały podczas narodzin galaktyki.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej:
Looking back in time to watch for a different kind of black hole
Źródło: Georgia Institute Of Technology
Na zdjęciu: Ilustracja z symulacji DCBH obrazuje gęstość (po lewej) i temperaturę (po prawej) wczesnej galaktyki. Źródło: Georgia Tech
