Vědci našli tajemství zrodu prvních černých děr ve vesmíru

Foto: 95C/Pixabay

20letá hádanka o tom, jak se zrodila nejstarší monstra ve vesmíru, byla možná právě vyřešena

Vypěstovat supermasivní černou díru trvá dlouho, i když je velmi žravá a pořád jí. Takže to, jak supermasivní černé díry miliardkrát těžší než Slunce vznikly během první miliardy let vesmíru, je trvalou hádankou. Nová práce mezinárodního týmu kosmologů však nabízí odpověď: toky studené hmoty, tvarované tajemnou temnou hmotou, silové černé díry zrozené ze smrti gigantických prahvězd, napsal server Independent.

„Existuje recept na vytvoření černé díry o hmotnosti 100 000 slunečních hmotností při narození, a to je primordiální hvězda o hmotnosti 100 000 slunečních hmotností,“ řekl listu The Independent Daniel Whalen, kosmolog z University of Portsmouth. „V dnešním vesmíru jsou jediné černé díry, které jsme objevili, všechny vznikly kolapsem hmotných hvězd.“ To znamená, že minimální hmotnost černé díry musí být pravděpodobně alespoň tři až čtyři hmotnosti Slunce.“

Ale propast je obrovská mezi hvězdou o hmotnosti 4 slunečních paprsků a hvězdou o hmotnosti 100 000 slunečních paprsků, „hypergiantní“ hvězdou, která, pokud by byla vycentrována na Slunce, by sahala až k oběžné dráze Pluta. Dr. Whalen řekl, že za posledních 20 let se velká část výzkumu kvasarů raného vesmíru – velmi jasných center galaxií poháněných supermasivními černými dírami – soustředila na jemně vyladěný soubor podmínek, které by umožnily vznik tak hmotné prvotní hvězdy.

Ale v novém článku publikovaném v časopise Nature Dr. Whalen a jeho kolegové používají superpočítačové modelování kosmické evoluce, aby ukázali, že spíše než aby se vyvíjely ze sady velmi zvláštních okolností, hyperobří prahvězdy se formují a zhroutí do „semínek“ kvasary zcela přirozeně ze souboru počátečních podmínek, které, i když jsou stále relativně vzácné, jsou mnohem méně choulostivé. A vše začíná temnou hmotou.

„Pokud se podíváte na celkový obsah, říkejme tomu celkový hmotnostní energetický obsah vesmíru, 3 procenta z toho jsou ve formě hmoty, které rozumíme,“ řekl Dr. Whalen – hmota složená z protonů a neutronů a elektronů, vodíku helium a tak dále. Ale „24 procent je ve formě temné hmoty a víme, že tam je kvůli pohybu galaxií a kup galaxií, ale nevíme, co to je.“

To znamená, že se zdá, že temná hmota interaguje s normální hmotou pouze prostřednictvím gravitace a gravitace temné hmoty je tím, co vytvořilo největší strukturu vesmíru: kosmickou síť. Brzy ve vesmíru se obrovské rozlohy temné hmoty zhroutily do dlouhých vláken pod svou vlastní vahou, řekl Dr. Whalen, a táhli s sebou normální hmotu, čímž vytvořili síť vláken a jejich průniků.

Galaxie a hvězdy by se nakonec vytvořily uvnitř vláken a zejména v průsečíkech vláken bohatých na hmotu.

„Nazýváme je hala, kosmologická hala,“ řekl Dr. Whalen o průsecích, „a myslíme si, že se tam poprvé vytvořily prvotní hvězdy.“

Předchozí uvažování tvrdilo, že k vytvoření dostatečně velké primordiální hvězdy, která by zrodila supermasivní černou díru a vytvořil kvasar během první miliardy let vesmíru, by halo muselo narůst do masivních rozměrů za zvláštních podmínek: žádné další hvězdy nejsou příliš blízko. tvorba molekulárního vodíku, aby se plyn chladil, a nadzvukové toky plynu udržující halo turbulentní. Dokud je halo dostatečně chladné a turbulentní, nemůže dostatečně koherovat, aby se vznítilo jako hvězda, čímž se prodlouží fáze růstu, dokud se nakonec nezrodí v obrovské velikosti.

A jakmile se masivní hvězda zapálí, prožije svůj život, vyhoří a zhroutí se do černé díry, musí mít přístup k velkému množství plynu, aby se stala supermasivní, řekl Dr. Whalen, „protože způsob, jakým černá díra roste, polykání plynu“.

Simulace Dr. Whalena a jeho kolegů však namísto toho, aby vyžadovala jemně vyladěné podmínky pro vytvoření masivní hvězdy a nakonec i masivní černé díry, naznačuje, že studený plyn proudící do halo z vláken vesmírné sítě definovaných temnou hmotou by mohl nahradit velké množství nezbytných faktorů pro vznik prvotních hvězd u starších modelů.

„Pokud chladné akreční toky podporují růst těchto hal, musí do nich bušit,“ řekl Dr. Whalen, „buší do nich tolik plynu tak rychle, že turbulence by mohly bránit tomu, aby se plyn zhroutil a vytvořil primordiální hvězdu. “

Když simulovali takové halo napájené studenými akrečními toky, vědci viděli, jak se tvoří dvě hmotné prvotní hvězdy, jedna o hmotnosti 31 000 sluncí a druhá o hmotnosti 40 000 sluncí. Semena supermasivních černých děr.

„Bylo to krásně jednoduché. Problém na 20 let zmizel přes noc,“ řekl Dr. Whalen. Kdykoli budete mít studené proudy pumpující plyn do halo v kosmické síti, „budete mít tolik turbulencí, že získáte supermasivní tvorbu hvězd a masivní tvorbu semen, která vytvoří masivní kvasarové semeno“.

Je to nález, který se shoduje s počtem dosud pozorovaných kvasarů v raném vesmíru, dodal s tím, že velká hala v této rané epoše jsou vzácná, stejně jako kvasary.

Nová práce je však simulací a vědci by dále chtěli skutečně pozorovat vznik kvasaru raného vesmíru ve volné přírodě. Díky novým přístrojům, jako je vesmírný dalekohled Jamese Webba, se to může relativně brzy stát realitou.

„Webb bude mocný, aby jednu viděl,“ řekl Dr. Whalen, když možná sledoval zrod černých děr během jednoho nebo dvou milionů let od Velkého třesku.

Zdroj: Independent