Przejdź do treści

Miejsca, w których rodziły się masywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie

img

Promieniowanie wyemitowane z pierwszych we Wszechświecie masywnych czarnych dziur jest tak intensywne, że jest w stanie dotrzeć do teleskopów na Ziemi po przebyciu niemal całego Wszechświata. Niesamowite, światło z najbardziej odległych czarnych dziur (lub kwazarów) podróżuje do nas przez ponad 13 mld lat świetlnych. Jednakże nie wiemy, jak te monstrualne czarne dziury powstały.

Badania prowadzone przez naukowców z Georgia Institute of Technology, Dublin City University, Michigan State University, University of California w San Diego, San Diego Supercomputer Center oraz IBM stanowią nową i niezwykle obiecującą drogę do rozwiązania tej kosmicznej zagadki. Zespół wykazał, że kiedy galaktyki niezwykle szybko się grupują – a czasem nawet gwałtownie – mogą doprowadzić do powstania bardzo masywnych czarnych dziur. W tak rzadkich galaktykach normalne powstawanie gwiazd zostaje zakłócone i przejęte przez formowanie się czarnych dziur.

Najnowsze badania dowodzą, że masywne czarne dziury tworzą się w gęstych obszarach pozbawionych gwiazd, które rosną gwałtownie, przewracając do góry nogami od dawna akceptowane przekonanie, że formowanie się masywnych czarnych dziur ogranicza się do regionów bombardowanych przez silne promieniowanie pobliskich galaktyk. Wyniki badania symulacyjnego również wskazują, że masywne czarne dziury są znacznie powszechniejsze we Wszechświecie, niż wcześniej sądzono.

Kluczowe kryteria określające, w którym miejscu we Wszechświecie powstały masywne czarne dziury, odnoszą się do szybkiego wzrostu pregalaktycznych obłoków gazowych, które są prekursorami wszystkich dzisiejszych galaktyk, co oznacza, że większość supermasywnych czarnych dziur ma wspólne pochodzenie, według tego nowo odkrytego scenariusza. Ciemna materia zapada się do halo, które jest grawitacyjnym spoiwem wszystkich galaktyk. Wczesny szybki wzrost tych halo zapobiegał tworzeniu się gwiazd, które rywalizowały z czarnymi dziurami o substancję gazową wpływającą do tego obszaru.

Gdy zespół znalazł w symulacji te miejsca powstawania czarnych dziur, naukowcy na początku byli zdezorientowani, powiedział John Regan, pracownik naukowy Centre for Astrophysics and Relativity in Dublin City University. Poprzednio przyjęty paradygmat był taki, że masywne czarne dziury mogły powstać tylko wtedy, gdy zostały wystawione na wysoki poziom promieniowania z pobliskich galaktyk. 

Wcześniejsza teoria opierała się na intensywnym promieniowaniu ultrafioletowym pobliskiej galaktyki, mającym na celu zahamowanie powstawania gwiazd w halo tworzącym czarną dziurę. Podczas, gdy promieniowanie UV nadal jest jakimś czynnikiem, praca naukowców pokazała, że nie jest to czynnik dominujący, przynajmniej w tych symulacjach.

Badanie zostało oparte o pakiet symulacji Renaissance, 70-terabajtowy zestaw danych stworzonych na superkomputerze Blue Waters w latach 2011-2014, aby pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób Wszechświat ewoluował we wczesnych latach. Aby dowiedzieć się więcej na temat konkretnych regionów, w których pojawiły się masywne czarne dziury, badacze przeanalizowali dane symulacyjne i znaleźli 10 specyficznych halo ciemnej materii, które, biorąc pod uwagę ich masy, powinny utworzyć gwiazdy ale zawierały jedynie gęste obłoki gazu. Wykorzystując superkomputer Stampede2, naukowcy dokonali ponownej symulacji dwóch z tych halo – każde o średnicy 2400 lat świetlnych – w znacznie większej rozdzielczości, aby zrozumieć szczegóły tego, co działo się w ich wnętrzu 270 mln lat po Wielkim Wybuchu.

Symulacje Renaissance są najpełniejszymi symulacjami najwcześniejszych etapów grawitacyjnego gromadzenia się czystego gazu złożonego z wodoru i helu oraz zimnej ciemnej materii, prowadzących do powstania pierwszych gwiazd i galaktyk. Wykorzystywana przez nie technika pozwala przyjrzeć się zagęszczeniom materii, w których powstają gwiazdy lub czarne dziury. Ponadto obejmują one wystarczająco duży region wczesnego Wszechświata, aby powstały w nim tysiące obiektów – co jest wymagane, jeżeli interesują nas wyjątkowo rzadkie obiekty, takie, jak w tym przypadku. 

Wyższa rozdzielczość symulacji uzyskana dla dwóch kandydujących regionów pozwoliła naukowcom zobaczyć turbulencje oraz dopływ gazu i tworzenie się zagęszczeń materii, gdy czarne dziury stopniowo zaczęły kondensować i wirować. Tempo ich wzrostu było dramatyczne.

Astronomowie obserwują supermasywne czarne dziury, które osiągnęły masę miliarda mas Słońca w ciągu 800 mln lat. Osiągnięcie takiej masy wymagało intensywnego zbierania się masy w tym regionie. Można by tego oczekiwać w regionach, w których powstawały galaktyki w bardzo wczesnym okresie Wszechświata.

Innym aspektem jest to, że halo, które tworzyły czarne dziury, mogą być bardziej powszechne we Wszechświecie, niż wcześniej sądzono.  

Przyszłe prace nad tymi symulacjami będą dotyczyć cyklu życia tych galaktyk, które tworzą masywne czarne dziury, badając powstawanie, rozwój i ewolucję pierwszych masywnych czarnych dziur. „Naszym kolejnym celem jest zbadanie dalszej ewolucji tych egzotycznych obiektów. Gdzie znajdują się dzisiaj te czarne dziury? Czy możemy je wykryć w lokalnym Wszechświecie lub w falach grawitacyjnych?”

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Birth of Massive Black Holes in the Early Universe Revealed

Źródło: Georgia Institute of Technology