Odkryli brakujące ogniwo w ewolucji Wszechświata. To było jedzenie bez trzymanki
Kosmiczna zagadka, która od lat spędzała sen z powiek astronomom, właśnie doczekała się spektakularnego wyjaśnienia. Naukowcy z Maynooth University w Irlandii, na łamach prestiżowego Nature Astronomy, ogłosili, że odkryli brakujące ogniwo w ewolucji wszechświata.
Odkąd Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) zaczął przesyłać na Ziemię pierwsze zdjęcia głębokiego kosmosu, naukowcy wpadli w lekką konsternację. Instrument ten dostrzegł bowiem w bardzo młodym wszechświecie zbyt masywne czarne dziury.
Zgodnie z klasycznymi modelami, takie obiekty po prostu nie miały czasu, aby urosnąć do tak gigantycznych rozmiarów w zaledwie kilkaset milionów lat po wielkim Wybuchu.
Badania zespołu z Maynooth University, którymi kierował doktorant Daxal Mehta, wywracają to przekonanie do góry nogami. Dzięki zaawansowanym symulacjom komputerowym udowodniono, że nawet te niewielkie czarne dziury mogą urosnąć dziesiątki tysięcy razy w mgnieniu oka, jeśli tylko trafią na odpowiednie warunki.
Teoria lekkiego ziarna
Dotychczas astronomowie dzielili zarodki czarnych dziur na dwa rodzaje: ciężkie ziarna i lekkie ziarna (heavy seeds, light seeds). Te pierwsze miały rodzić się już z ogromną masą, sięgającą nawet 100 000 mas Słońca, co ułatwiało im start w drodze do supermasywności. Z kolei lekkie ziarna to obiekty zaledwie 10 do kilkuset razy masywniejsze od naszej gwiazdy.
Do tej pory uważano, że te mniejsze czarne dziury nie mają szans, by stać się behemotami w tak krótkim czasie. Naukowcy wykorzystali do badania najnowocześniejsze symulacje komputerowe i odkryli, że pierwsza generacja czarnych dziur, zaliczana do lekkich ziaren, która powstała zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, rozrosła się niewiarygodnie szybko, osiągając masę dziesiątki tysięcy razy większe od naszego Słońca.
Odkryliśmy, że chaotyczne warunki panujące we wczesnym wszechświecie spowodowały, że mniejsze czarne dziury przekształciły się bardzo szybko w supermasywne czarne dziury w wyniku gorączkowego pochłaniania materii wokół nich – mówi Daxal Mehta, który kierował badaniami.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Astronomy.
Chaos był paliwem dla gigantów
Jak to możliwe, że mała czarna dziura w krótkim czasie zamienia się w giganta? Naukowcy wskazują na zjawisko nazwane superakrecją Eddingtona. W normalnych warunkach czarna dziura ma swój limit bezpieczeństwa podczas pożerania otaczajcej jej materii.
Gdy pochłania materię zbyt szybko, generuje tak potężne promieniowanie, że odpycha ono resztę pożywienia od jej otoczenia. To swego rodzaju kosmiczny bezpiecznik.
Jednak w bardzo wczesnym, gęstym i chaotycznym wszechświecie, ten mechanizm po prostu nie działał tak, jak powinien. Gęste, bogate w gaz środowiska wczesnych galaktyk umożliwiały krótkie okresy pochłaniania materii bez żadnych zahamowań.
Pierwsza generacja czarnych dziur wpadła w prawdziwy szał jedzenia, pochłaniając okoliczny gaz znacznie szybciej, niż sugerowałyby to jakiekolwiek normy bezpieczeństwa. Materia wpadała do nich w tak krótkich i intensywnych impulsach, że światło nie nadążało z jej odpychaniem.
Więcej na Spider's Web:
Nowa era poszukiwań
Wyniki wskazały również na brakujące ogniwo pomiędzy pierwszymi gwiazdami a supermasywnymi czarnymi dziurami, które pojawiły się znacznie później. To odkrycie zmienia nasz sposób myślenia o tym, jak powstają fundamenty galaktyk.
Do tej pory astronomowie uważali, że aby wyjaśnić obecność supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach większości dużych galaktyk, konieczne jest występowanie ciężkich typów zairen.
Teraz nie jesteśmy już tego tacy pewni. Ciężkie nasiona są nieco bardziej egzotyczne i mogą wymagać rzadkich warunków do powstania. Nasze symulacje pokazują, że wasze zwykłe czarne dziury o masie gwiezdnej mogą rosnąć w ekstremalnym tempie we wczesnym Wszechświecie – mówi dr John Regan z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Missouri i kierownik grupy badawczej.
Wczesny wszechświat był o wiele bardziej chaotyczny i burzliwy, niż się spodziewaliśmy, a populacja masywnych czarnych dziur jest znacznie większa, niż przewidywaliśmy. Przyszłe obserwacje fal grawitacyjnych mogą pozwolić na wykrycie połączeń tych maleńkich, wczesnych, szybko rosnących czarnych dziur – mówi dr Regan.
Głowna ilustracja: Wizualizacja komputerowa przedstawiająca młode czarne dziury rosnące w młodej galaktyce z wczesnego Wszechświata. Źródło: dr John Regan
