Pierwotne czarne dziury, które powstały w najwcześniejszych momentach wszechświata, mogły szybko spuchnąć do supermasywnych rozmiarów, ujawniły złożone symulacje kosmologiczne.
Odkrycie może prowadzić do rozwiązania jednego z największych problemów we współczesnej kosmologii: jak Supermasywne czarne dziury mógł stać się milionami lub miliardami razy więcej niż Słońce Zanim wszechświat miał 1 miliard lat.
Ten problem niedawno wymknął się spod kontroli, dzięki NASA James Webb Space Telescope (JWST). Potężny zakres badał wczesny wszechświat, odkrywając coraz więcej supermasywnych czarnych dziur, które istniały zaledwie 700 milionów lat później Wielki Wybucha nawet wcześniej.
„Problem polega na tym, że kiedy oglądamy wczesny wszechświat z coraz mocniejszymi teleskopami, które skutecznie pozwalają nam zobaczyć kosmos, jak to było bardzo wcześnie z powodu skończonej prędkości światła, powiedział Supermassive Black Holes”, powiedział Space.com Supermassive Black Holes. „Oznacza to, że supermasywne czarne dziury są na miejscu bardzo wcześnie Wszechświatw ciągu pierwszych kilkuset milionów lat. ”
Procesy, które naukowcy wcześniej zaproponowali wyjaśnienie wzrostu supermasive Czarne dziurytakie jak szybka akrecja i Połączenia między większymi i większymi czarnymi otworamipowinno zająć ponad miliard lat, aby uprawiać supermasywną czarną dziurę.
Najwcześniejsza i najbardziej odległe supermasywna czarna dziura odkryta do tej pory JWST jest CEERS 1019który istniał zaledwie 570 milionów lat po Wielkim Wybuchu i ma masę 9 milionów razy więcej niż słońce. Według ustalonych modeli jest to zbyt duże, aby istnieć 13,2 miliarda lat temu.
„Jest to mylące, ponieważ czarne dziury muszą albo pojawić się na tej dużej masie, albo bardzo szybko wyrosnąć z mniejszej masy” – powiedział Regan. „Nie mamy dowodów sugerujących, że czarne dziury mogą tworzyć się z tymi ogromnymi masami, i nie do końca rozumiemy, jak małe czarne dziury mogą rosnąć tak szybko”.
Nowe badania sugerują, że pierwotne czarne dziury mogły dać wczesnym supermasowym czarnym dziurom przewagę w tym wyścigu.
Niedrofizyczne czarne dziury mają przewagę
Czarne dziury występują w szeregu różnych mas. Czarne dziury masy gwiezdnej, które są o 10 do 100 razy cięższe niż słońce, powstają, gdy masywne gwiazdy wyczerpują paliwo jądrowe na matrycę, upadając, aby wywołać ogromne Supernova eksplozje.
Supermasywne czarne dziury mają co najmniej milion razy masę słońca i siedzą w sercu wszystkich dużych galaktyk. Są zbyt duże, aby można je było utworzyć, gdy umiera ogromna gwiazda. Zamiast tego te czarne dziury są tworzone, gdy mniejsze czarne dziury łączą się niezliczoną ilość razy, lub poprzez wyurtykując otaczającą materię lub w kombinacji obu procesów.
Te dwa przykłady czarnych dziur, a także nieuchwytne czarne dziury Massaktóre siedzą w masowej przepaści między masą gwiezdną a supermasywnymi czarnymi dziurami, są klasyfikowane jako „astrofizyczne” czarne dziury.
Naukowcy od dawna proponują istnienie „nieastrofizycznych” czarnych dziur, w formie Pierwotne czarne dziury. Deskryptor „nietrophysical” odnosi się do faktu, że te czarne dziury nie opierają się na upadku gwiazd lub wcześniejszych czarnych dziur dla ich istnienia.
Zamiast tego proponuje się pierwotne czarne dziury, aby tworzyć się bezpośrednio z nadmiernych kieszeni w zupie o podtrzymanej parze materii, która wypełniła wszechświat w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu.
Do tej pory nie ma dowodów obserwacyjnych tych pierwotnych czarnych dziur. To jednak nie powstrzymało naukowców przed sugerowaniem, że te hipotetyczne obiekty mogłyby to wyjaśnić ciemna materiatajemnicze „rzeczy”, które stanowią 85% sprawy we wszechświecie, ale pozostają niewidoczne, ponieważ nie wchodzi w interakcje ze światłem.
Nowe badania sugerują, że pierwotne czarne dziury, zaproponowane jako masy między 1/100 000 osób w odcinku papieru a 100 000 razy w słońcu, mogą mieć dużą przewagę w szybko tworzącym supermasywne czarne dziury. To dlatego, że górna granica ich masy nie jest ograniczona przez to, jak masywna może dostać się gwiazda, zanim umrze, podobnie jak w przypadku gwiezdnych masowych czarnych dziur.
„Pierwotne czarne dziury powinny tworzyć się w ciągu pierwszych kilku sekund po Wielkim Wybuchu. Jeśli istnieją, mają pewne zalety nad astrofizycznymi czarnymi dziurami” – powiedział Regan. „Zasadniczo mogą być bardziej masywne w porównaniu z astrofizycznymi czarnymi dziurami i mogą być w stanie łatwiej osiedlić się w centrach galaktycznych, gdzie mogą szybko rosnąć”.
Pierwotne czarne dziury mogą również startować na czarnych dziurach masy gwiezdnej, ponieważ nie muszą czekać na śmierć pierwszego pokolenia masywnych gwiazd-proces, który może potrwać miliony lat.
Regan wyjaśnił, że ze względu na ich początki astrofizyczne czarne dziury mogą powstać dopiero po tym, jak pierwsze gwiazdy zabrakło paliwa. Nawet wtedy astrofizyczne czarne dziury mogą nadal być w sumie tylko kilkaset mas słonecznych. Ponadto negatywnie wpływając na perspektywę supermasywnego wzrostu czarnych otworów z czarnych otworów masy gwiezdnej jest fakt, że energia emitowana z gwiazd podczas ich życia i ich wybuchowych zgonów z supernowej usuwają materiał z wokół nowonarodzonych czarnych otworów, wyczerpując ich potencjalny spalin i ograniczając ich rozwój.
„To może oznaczać, że nie ma materiału, aby dziecko czarna do akretu” – wyjaśnił Regan.
Pierwotne czarne dziury nie emitują energii i nie „pójdą” Nova, eliminując tę przeszkodę. Ale nadal musieliby znaleźć drogę do obfitego źródła materii.
Czy pierwotne czarne dziury stają się supermasywne w sercu galaktyk?
W symulacji wykonanej przez Regan i współpracowników pierwotne czarne dziury potrzebowały rosnące przez aktorowanie materii, a fuzje czarnych dziury zajmują miejsce w tym procesie.
„Materia we wczesnym wszechświecie składa się głównie z wodoru i helu” – kontynuował Regan. „Oczekuje się, że te pierwotne czarne otwory będą się większe rosnąć poprzez złożenie wodoru i helu. Fuzje z innymi pierwotnymi czarnymi dziurami mogą również odgrywać pewną rolę, ale oczekuje się, że akrecja będzie dominująca”.
Aby akrecja pierwotnych czarnych otworów jest wystarczająco wydajna, aby skutkować stworzeniem supermasywnych czarnych dziur, obiekty te muszą być w stanie szybko się pochłonąć. Oznacza to udanie się do regionów wszechświata, w których materia gromadzi się – mianowicie centrum galaktyk, które również zdarza się, że supermasywne czarne dziury czają się w nowoczesnej epoki kosmosu.
„W tym celu pierwotne czarne dziury muszą zatopić się w centrum galaktyki” – powiedział Regan. „Może się to zdarzyć, jeśli jest wystarczająco dużo pierwotnych czarnych dziur. Tylko kilka musi mieć szczęście!”
Liczba pierwotnych czarnych dziur dostępnych dla tego procesu określa, czy astrofizyczne czarne dziury ostatecznie odegrałyby rolę we rozwoju wczesnych supermasywnych czarnych dziur.
„Jeśli pierwotne czarne dziury są bardzo obfite, mogą stanowić całą supermasową populację czarnych dziur” – powiedział Regan. „To, czy pierwotne czarne dziury odpowiadają za całą masę wczesnych supermasywnych czarnych dziur, zależy od tego, ile ich jest. Zasadniczo jest to możliwe, ale przypuszczam, że astrofizyczne czarne dziury również odgrywają rolę”.
Oczywiście odkrycia te oparte są na symulacjach, więc przed potwierdzeniem tej teorii jest długa droga. Jednym z linii obserwacyjnych dowodów na tę teorię byłoby wykrycie masywnej czarnej dziury w samym, bardzo Wczesny wszechświat, wcześniej nawet do 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Kolejną możliwą linią dowodów obserwacyjnych byłoby wykrycie czarnej dziury o masie mniejszej niż trzykrotnie Słońca we współczesnym wszechświecie. To dlatego, że żadna czarna dziura tak mała nie mogła powstać ze śmierci supernowej i zawalenia się masywnej gwiazdy, co wskazuje, że ta niewielka czarna dziura wyrosła z pierwotnej.
„Byłem zaskoczony, że pierwotne czarne dziury rosły tak szybko i że nasze symulacje przynajmniej pasowały do przestrzeni parametrów, w której mogą istnieć” – powiedział Regan. „Teraz potrzebujemy tylko„ pistoletu ”pierwotnej czarnej dziury z obserwacji-albo czarnej dziury o bardzo niskiej masie we współczesnym wszechświecie lub naprawdę czarnej dziurze o dużej masie we wczesnym wszechświecie.
„Pierwotne czarne dziury, jeśli istnieją, ukryją się w skrajności!”
Zamiast takich dowodów obserwacyjnych zespół będzie starał się poprawić swoje kosmologiczne symulacje, aby wzmocnić teorię supermasywnych czarnych dziur, zaczynając od pierwotnych czarnych dziur.
„Kolejnymi krokami jest zwiększenie realizmu symulacji. To był pierwszy krok. Symulacje miały tylko pierwotne czarne dziury” – podsumował Regan. „Następnie chcemy modelować pierwotne i astrofizyczne czarne dziury w tym samym środowisku i zobaczyć, czy możemy zobaczyć jakiekolwiek cechy wyróżniające”.
Badania zespołu pojawiają się jako artykuł przeglądowy przedsiębiorstwa na stronie repozytorium arxiv.
