Astronomer har fundet nogle ekstremt gamle supermassive sorte huller, dem, der dannedes, da universet var ganske ung. Men de blev forundrede over, hvordan et sort hul kunne vokse til så enorm størrelse, når universet selv bare var et lille barn.
Astronomer har nu fundet, at et unikt sæt betingelser var til stede en halv milliard år efter Big Bang, der gjorde det muligt at danne disse monster sorte huller. En usædvanlig kilde til intens stråling skabte, hvad der kaldes ”direkte sammenbrud sorte huller.”
”Det er et kosmisk mirakel,” sagde Volker Bromm fra University of Texas i Austin, der samarbejdede med flere astronomer om fundet. ”Det er den eneste gang i universets historie, når betingelserne er rigtige for dem at danne.”
Den konventionelle forståelse af, hvordan sorte huller dannes, kaldes akkretionsteorien, hvor en ekstremt massiv stjerne kollapser og sorte hul “frø” bygges fra sammenbruddet ved at trække gas ind fra deres omgivelser og ved fusioner af mindre sorte huller. Men denne proces tager lang tid, meget længere end den tid, disse hurtigt dannende sorte huller var omkring. Plus, det tidlige univers havde ikke de mængder gas og støv, der var nødvendige for supermassive sorte huller til at vokse til deres gigantiske størrelse.
De nye fund antyder i stedet, at nogle af de første sorte huller dannede sig direkte, når en sky af gas kollapsede og omgåede andre mellemliggende faser, såsom dannelse og efterfølgende ødelæggelse af en massiv stjerne.
Som alle sorte hul kan naturligvis disse "direkte sammenbrud" sorte huller ikke ses. Men der var stærke beviser for deres eksistens, da de er nødvendige for at drive de stærkt lysende kvasarer, der blev opdaget i det unge univers. En kvasars store lysstyrke kommer fra stof, der spiraler ind i et supermassivt sort hul, der opvarmes til millioner af grader og skaber jetfly, der lyser som fyrbølger over hele universet. Men da accretionsteorien ikke forklarer supermassive sorte huller i ekstremt fjerne - og derfor unge - univers, kunne astronomer heller ikke forklare kvaserne. Dette er blevet kaldt "kvasarfrøproblemet."
”Kvasarer, der blev observeret i det tidlige univers, ligner kæmpe babyer i et fødestue fuld af normale spædbørn,” sagde Avi Loeb fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, der arbejdede med Bromm. ”Man spekulerer på: hvad er specielt med miljøet, der plejede disse gigantiske babyer? Typisk konsumeres det kolde gasreservoir i nærliggende galakser som Mælkevejen mest af stjernedannelse. ”
Men i 2003 kom Bromm og Loeb med en teoretisk idé om at få en tidlig galakse til at danne et supermassivt frøsorte hul ved at undertrykke det ellers uoverkommelige energitilførsel fra stjernedannelse. De kaldte processen "direkte sammenbrud."
”Begynd med en” urskyfri af brint og helium, forfulgt i et hav af ultraviolet stråling, ”sagde Bromm. ”Du knuser denne sky i tyngdefeltet i en mørk stof halo. Normalt ville skyen være i stand til at køle ned og fragmentere til dannelse af stjerner. Imidlertid holder de ultraviolette fotoner gassen varm, hvilket undertrykker enhver stjernedannelse. Dette er de ønskede, næsten mirakuløse forhold: kollaps uden fragmentering! Når gassen bliver mere og mere kompakt, har du i sidste ende betingelserne for et massivt sort hul. ”
Dette sæt kosmiske forhold ser ud til kun at have eksisteret i det meget tidlige univers, og denne proces sker ikke i galakser i dag.
For at teste deres teori begyndte Bromm, Loeb og deres kollega Aaron Smith at studere en galakse kaldet CR7, identificeret ved en Hubble-rumteleskopundersøgelse kaldet COSMOS som værende omkring mindre end 1 milliard år efter Big Bang.
David Sobral fra University of Lissabon havde foretaget opfølgende observationer af CR7 med nogle af verdens største jordbaserede teleskoper, herunder Keck og VLT. Disse afslørede nogle ekstremt usædvanlige funktioner i lyssignaturen fra CR7. Specifikt var Lyman-alpha-hydrogenlinjen adskillige gange lysere end forventet. Bemærkelsesværdigt viste spektret også en usædvanligt lys heliumlinie.
”Uanset hvad der kører denne kilde er meget varmt - varmt nok til at ionisere helium,” sagde Smith omkring 100.000 grader celsius.
Disse og andre usædvanlige træk i spektret betød, at det enten kunne være en klynge af oprindelige stjerner eller et supermassivt sort hul sandsynligvis dannet ved direkte sammenbrud.
Smith kørte simuleringer for begge scenarier, og mens stjerneklyngscenariet "spektakulært mislykkedes", sagde Smith, fungerede modellen med direkte hul i sort hul godt.
Tidligere i år brugte forskere også kombinerede data fra Chandra røntgenobservatorium, Hubble-rumteleskopet og Spitzer-rumteleskopet til at identificere disse mulige sorte hulfrø. De fandt to objekter, begge disse stemte overens med den teoretiske profil i de infrarøde data. (læs deres papir her.)
Det ser ud til, at astronomer “konvergerer om denne model”, sagde Smith, for at løse problemet med kvasarfrø og det tidlige sorte hulkondrum.
Bliv hængende.
Bromm, Loeb og Smiths arbejde offentliggøres i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Kilder:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, pressemeddelelse for NASAs opdagelse af sorte huller med direkte sammenbrud tidligere på året.
