Illustration af det tidlige univers. Billedkredit: NASA. Klik for at forstørre.
Det hele begyndte for længe siden, mens universet var meget ung. De tidligste massive opdrætningsstjerner narrede i deres ungdom - snurrede og kavorterede blandt rige grønne græs af jomfruelig stof. Da deres tildelte tid spillede ud, kogte nukleare motorer udstrakte strømme af varmt brint og heliumgas - hvilket berikede det interstellare medie. I denne fase dannede supermassive stjerne klynger i små lommer nær de voksende galaktiske kerner - hver klynge en svømmetur i små regioner af primordial mini-halo-stof.
Efter at have afsluttet deres cyklus eksploderede de tidligste avlsstjerner og sprøjte tunge atomer ud. Men inden der blev samlet for meget tungt stof i universet, voksede de tidligste sorte huller, voksede hurtigt gennem gensidig assimilering og akkumulerede tilstrækkelig gravitationspåvirkning til at trække "Goldilocks" -gasser med præcise temperaturer og sammensætning til store brede akkretionsskiver. Denne superkritiske vækstfase modnet de tidligste massive sorte huller (MBH'er) hurtigt til supermassiv sorte hulstatus (SMBH). Ud af dette tog de tidligste kvasarer ophold inden i de smeltede mini-haloer fra adskillige protogalaksier.
Dette billede af tidlig dannelse af kvasar fremkom i en nylig artikel (offentliggjort 2. juni 2005) med titlen "Hurtig vækst af sorte huller med høj rødskifte" skrevet af Cambridge UK kosmologer Martin J. Rees og Marta Volonteri. Denne undersøgelse behandler muligheden for, at et kort vindue med hurtig SMBH-dannelse åbnede efter tidspunktet for universel gennemsigtighed, men inden gasser i det interstellære medie fuldstændigt genioniseres gennem stjernestråling og podet med tungmetaller af supernovaer. Rees-Volonteri-modellen forsøger at forklare fakta, der kommer ud af Sloan Digital Sky Survey (SDSS) datasæt. Efter 1 milliard år efter Big Bang var der allerede dannet mange stærkt strålende kvasarer. Hver med SMBH'er med masser på over 1 milliard solskin. Disse var opstået ud fra "sorte sorte huller" - tyngdekraftblæsere, der blev efterladt efter den tidligste cyklus af supernovaer kollaps blandt de første massive galaktiske klynger. Efter en milliard år efter Big Bang var det alt andet end forbi. Hvordan kunne så meget masse kondensere så hurtigt i så små rumområder?
Ifølge Volontari og Rees, "At dyrke sådanne frø op til 1 milliard solmasser kræver en næsten kontinuerlig tilskyndelse af gas ..." At arbejde mod en så høj udvindingsgrad, er det faktum, at stråling fra stof, der falder ned i et sort hul, typisk udlignes hurtigt ” vægtøgning". De fleste modeller af SMBH-vækst viser, at ca. 30% af massen, der falder mod et mellemliggende (massivt - ikke supermassivt) sort hul, omdannes til stråling. Virkningen heraf er dobbelt: Materiale, der ellers ville fodre MBH, er tabt til stråling, og udadstrålingstrykket kvæler optagelsen af yderligere stof indad for at føde hurtig vækst.
Nøglen til at forstå hurtig SMBH-dannelse ligger i muligheden for, at tidlige akkretionsskiver omkring MBH'er ikke var så optisk tæt som de er i dag - men "fedt" med spændende fordelt stof. Under sådanne forhold har stråling en bredere gennemsnitlig fri sti og kan flygte ud over diske uden at hindre inders bevægelse af stof. Brændstof, der driver hele SMBH-vækstprocessen, leveres rigeligt ind i begivenhedshorisonten på sorte huler. I mellemtiden var den type stof, der var til stede i den tidligste epoke, hovedsageligt monatomisk brint og helium - ikke den slags tungmetalrige tiltrædelsesskiver fra en senere æra. Alt dette antyder, at de tidlige MBH'er voksede op i en fart, og i sidste ende tegner sig for de mange fuldt modne kvasarer, der ses i SDSS-datasættet. Sådanne tidlige MBH'er må have haft masse-energi-konverteringsforhold, der er mere typiske for fuldmodne SMBH'er end MBH'erne i dag.
Volontari og Rees siger, at tidligere efterforskere har vist, at fuldt udviklede “kvasarer har en masseenergi-konverteringseffektivitet på ca. 10%…” Parret advarer imidlertid om, at denne masse-energi-konverteringsværdi kommer fra undersøgelser af kvasarer fra en senere periode i Universal udvidelse og at "intet er kendt om den strålende effektivitet af pregalaktiske kvasarer i det tidlige univers." Af denne grund "kan det billede, vi har af det lave rødskiftunivers, ikke gælde på tidligere tidspunkter." Det tidlige univers var helt klart tættere pakket med stof, stoffet var ved en højere temperatur, og der var et højere forhold mellem ikke-metaller og metaller. Alle disse faktorer siger, at det er næsten nogens bedste gæt hvad angår effektivitet til masse-energi-konvertering af tidlige MBH'er. Da vi nu skal redegøre for, hvorfor der findes så mange SMBH'er blandt tidlige kvasarer, giver det mening, at Volontari og Rees bruger det, de kender til nutidens akkretionsskiver som et middel til at forklare, hvordan de sådanne diske kan have været anderledes i fortiden.
Og det er de tidligste tider - før stråling fra adskillige stjerner genioniserede gasser i det mellemstjernede medie - der bød forhold, der var modne for hurtig SMBH-dannelse. Sådanne forhold kan godt have varet mindre end 100 millioner år og krævet en behagelig balance i temperatur, densitet, distribution og sammensætning af stof i universet.
For at få det komplette billede (som malet i papiret) starter vi med tanken om, at det tidlige univers var befolket af utallige mini-haloer bestående af mørkt og baryonisk stof med meget massive, men meget tætte stjerneklynger i deres midte. På grund af tætheden af disse klynger - og massen af stjernerne, der består af dem - udviklede supernovaer sig hurtigt til at gyde talrige "sorte sorte huller". Disse frø BH'er samles sammen i massive sorte huller. I mellemtiden bragte gravitationskræfter og virkelige bevægelser hurtigt de forskellige mini-haloer sammen. Dette skabte stadig mere massive haloer, der er i stand til at fodre MBH'er.
I det tidlige univers fandt stof omkring MBH'er sig i form af enorme metalfattige kugler af brint og helium i gennemsnit ca. 8.000 grader Kelvin i temperatur. Ved så høje temperaturer forbliver atomer ioniserede. På grund af ionisering var der få elektroner forbundet med atomer til at fungere som fotonfælder. Effekten af strålingstryk faldt til det punkt, hvor materie lettere faldt ned i en begivenhedshorisont for sorte huller. I mellemtiden spreder gratis elektroner selv lys. Noget af det lys stråler faktisk tilbage mod optagelsesdisken og en anden massekilde - i form af energi - mater systemet. Endelig betyder en mangel på tungmetaller - såsom ilt, kulstof og nitrogen - at monotomiske atomer forbliver varme. For når temperaturerne falder til under 4.000 grader K, ationerne deioniseres og igen bliver udsat for strålingstryk, hvilket reducerer fluxen af frisk stof, der falder ind i BH-hændelseshorisonten. Alle disse rent fysiske egenskaber havde en tendens til at skubbe forholdet mellem masseenergi og effektivitet ned - hvilket tillader, at MBH'er hurtigt tyndes.
I mellemtiden, mens mini-haloer koales sammen, kondenseret varm baryonisk stof til enorme "tykke" diske - ikke de tynde ringe, der ses omkring SMBH'erne i dag. Dette skete fordi halo-materien i sig selv omringede de hurtigt voksende MBH'er. Denne sfæriske fordeling af stof tilvejebragte en konstant kilde til frisk, varm, jomfruelig stof for at fodre akkretionsskiven fra forskellige vinkler. Tykke diske betød større mængder stof ved lavere optisk densitet. Endnu en gang formåede materie at undgå at blive "solsejlet" udad fra MBH's truende klods, og masseenergikonverteringsforhold faldt.
Begge faktorer - fedtskiver og ioniserede, lavmasse-atomer - siger, at i gylden alder i et tidligt grønt univers, voksede MBH'er hurtigt op. Inden for en milliard år efter Big Bang havde de slået sig ned i en relativt stille modenhed, der effektivt konverterede stof til lys og kastede lyset over store rækkevidder af tid og rum til et potentielt stadigt voksende univers.
Skrevet af Jeff Barbour
