Supermasiv gauri negre sunt unele dintre cele mai impresionante (și înfricoșătoare) obiecte din univers – cu mase de aproximativ un miliard de ori mai mari decât cele ale Soarelui. Și știm că există de mult timp.
De fapt, astronomii au detectat sursele compacte extrem de luminoase care sunt situate în centrul galaxiilor, cunoscute sub numele de quasari (găuri negre supermasive cu creștere rapidă), când universul era mai puțin de 1 miliard de ani.
Acum noul nostru studiu, publicat în Scrisori din jurnalul astrofizica folosit observații din Telescopul spațial Hubble pentru a arăta că în universul timpuriu existau mult mai multe (mult mai puțin luminoase) găuri negre decât sugeraseră estimările anterioare. În mod emoționant, acest lucru ne poate ajuta să înțelegem cum s-au format – și de ce multe dintre ele par a fi mai masive decât ne așteptam.
Găurile negre cresc prin înghițirea materialului care le înconjoară, într-un proces cunoscut sub numele de acreție. Acest lucru produce cantități uriașe de radiații. Presiunea din această radiație pune o limită fundamentală despre cât de repede pot crește găurile negre.
Prin urmare, oamenii de știință s-au confruntat cu o provocare în explicarea acestor quasari timpurii și masivi: fără prea mult timp cosmic în care să se hrănească, ei trebuie fie să fi crescut mai repede decât este posibil din punct de vedere fizic, fie s-au născut surprinzător de masiv.
Înrudit: O gaură neagră „primordială” poate trece prin sistemul nostru solar în fiecare deceniu
Semințe ușoare vs grele
Dar cum se formează găurile negre? Există mai multe posibilități. Primul este așa-numitul găuri negre primordiale au existat de la scurt timp după Big Bang. Deși plauzibile pentru găurile negre cu mase mici, găurile negre masive nu se pot fi formate în număr semnificativ conform modelului standard al cosmologiei.
Găurile negre se pot forma cu siguranță (acum verificate de astronomia undelor gravitaționale) în etapele finale a scurtei vieți a unor stele masive normale. Astfel de găuri negre ar putea, în principiu, să crească rapid dacă s-ar forma în grupuri de stele extrem de dense, unde stelele și găurile negre se pot îmbina. Aceste „semințe de masă stelară” ale găurilor negre ar trebui să crească prea repede.
Alternativa este că s-ar putea forma din “semințe grele“, cu mase de aproximativ 1.000 de ori mai mari decât stelele masive cunoscute. Un astfel de mecanism este un “colaps direct”, în care structurile timpurii ale substanței necunoscute, invizibile, cunoscute ca materie întunecată norii de gaz închiși, în timp ce radiațiile de fond i-au împiedicat să formeze stele. În schimb, s-au prăbușit în găuri negre.
Problema este că doar o minoritate de halouri de materie întunecată cresc suficient de mari pentru a forma astfel de semințe. Deci, aceasta funcționează doar ca o explicație dacă găurile negre timpurii sunt suficient de rare.
Prea multe găuri negre
De ani de zile, avem o imagine bună a câte galaxii au existat în primul miliard de ani de timp cosmic. Dar găsirea găurilor negre în aceste medii a fost extrem de dificilă (numai quasarii luminoși puteau fi dovediți).
Deși găurile negre cresc prin înghițirea materialului înconjurător, acest lucru nu se întâmplă într-un ritm constant – își despart hrănirea în „mese”, ceea ce face ca luminozitatea lor să varieze în timp. Am monitorizat unele dintre cele mai vechi galaxii pentru modificări ale luminozității pe o perioadă de 15 ani și am folosit acest lucru pentru a face un nou recensământ al câte găuri negre sunt acolo.
Se pare că există de câteva ori mai multe găuri negre care locuiesc în galaxiile timpurii obișnuite decât am crezut inițial.
Alte lucrări recente, de pionierat, cu Telescopul spațial James Webb (JWST) a început pentru a ajunge la concluzii similare. În total, avem mai multe găuri negre decât se pot forma prin prăbușire directă.
Există un alt mod, mai exotic, de a forma găuri negre care ar putea produce semințe care sunt atât masive, cât și abundente. Stelele se formează prin contracția gravitațională a norilor de gaz: dacă un număr semnificativ de particule de materie întunecată pot fi captate în timpul fazei de contracție, atunci structura internă ar putea fi complet modificate — și aprinderea nucleară împiedicată.
Prin urmare, creșterea ar putea continua de multe ori mai mult decât durata de viață tipică a unei stele obișnuite, permițându-le să devină mult mai masive. Cu toate acestea, la fel ca stelele obișnuite și obiectele de colaps direct, nimic nu este capabil să reziste în cele din urmă forței copleșitoare a gravitației. Aceasta înseamnă că aceste „stele întunecate” ar trebui să se prăbușească în cele din urmă pentru a forma găuri negre masive.
Acum credem că procese similare cu acesta ar fi trebuit să aibă loc pentru a forma numărul mare de găuri negre pe care le observăm în universul infantil.
Planuri de viitor
Studiile despre formarea timpurie a găurilor negre au suferit o transformare în ultimii doi ani, dar într-un fel acest domeniu este abia la început.
Observatoare noi în spațiu, cum ar fi misiunea Euclid sau cel Telescopul spațial roman Nancy Graceva completa recensământul nostru de quasari mai slabi la începuturi. The Misiunea NewAthena iar cel Matrice de kilometri pătrațiîn Australia și Africa de Sud, ne va debloca înțelegerea multor procese care înconjoară găurile negre de la început.
Dar este într-adevăr JWST pe care trebuie să-l urmărim în termen imediat. Datorită sensibilității sale pentru imagistică și monitorizare și capacităților spectroscopice de a vedea o activitate foarte slabă a găurilor negre, ne așteptăm ca următorii cinci ani să stabilească cu adevărat numărul găurilor negre pe măsură ce se formau primele galaxii.
S-ar putea chiar să surprindem formarea unei găuri negre în flagrant, asistând la exploziile asociate cu prăbușirea primelor stele curate. Modelele spun că acest lucru este posibil, dar va solicita un efort coordonat și dedicat din partea astronomilor.
Acest articol editat este republicat din Conversația sub o licență Creative Commons. Citiți articol original.