Un mister supramasiv pândește în centrul Calea lactee. Supermasiv gauri negre sunt rupturi gigantice în spațiu-timp care stau în mijlocul multor galaxii, absorbind periodic materia înainte de a o scuipa la viteze apropiate de lumina pentru a modela modul în care galaxiile evoluează.
Cu toate acestea, modul în care au ajuns să fie atât de enorme este un mister predominant în astrofizică, aprofundat și mai mult de Telescopul spațial James Webb (JWST). De când a intrat online în 2022, telescopul a descoperit că monștrii cosmici sunt șocant de abundent și masiv în cele câteva milioane de ani de după Big Bang — o descoperire care sfidează multe dintre cele mai bune modele ale noastre pentru modul în care au crescut găurile negre.
Sophie Koudmani este un astrofizician la Universitatea din Cambridge care caută răspunsuri la această problemă. Live Science s-a adunat cu ea la evenimentul New Scientist Live din Londra pentru a discuta despre monștrii cosmici, cum s-ar fi putut forma și cum munca ei folosind supercomputere pentru a-i simula ar putea rescrie istoria universului nostru.
Ben Turner: De ce sunt găurile negre supermasive atât de importante pentru înțelegerea universului nostru?
Sophie Koudmani: În univers, totul este conectat, iar găurile negre supermasive joacă un rol foarte important. Ele generează o cantitate imensă de energie care vine din regiunea din jurul găurilor negre. Pe măsură ce gazul cade, energia sa potențială gravitațională este transformată în radiație. Acest lucru face ca gazul să fie foarte fierbinte și, pe măsură ce se încălzește începe să strălucească.
Gazul este încălzit până la milioane de grade, iar radiația lui influențează apoi întreaga galaxie. Oprește adunarea gazelor pentru a forma stele, întrerupând formarea stelelor într-un mod important pentru a produce galaxii realiste. Energia [from supermassive black holes] apoi poate călători și mai departe și influența structura pe scară largă a universului — ceea ce este cu adevărat important pentru cosmologie și înțelegerea evoluției cosmice.
BT: Deci, când vorbiți despre energia care curge spre exterior, vă referiți la jeturi relativiste sau la ieșiri cu viteza aproape de lumină din unele găuri negre, nu?
SK: Da. Există trei feluri de moduri prin care găurile negre „vorbesc” cu galaxiile lor gazdă. Unul este prin jeturi relativiste, altul este prin vânturile emise de discul de acreție [the cloud-like structure of gas, dust and plasma that orbits black holes] — acestea nu sunt la fel de subțiri ca jeturile — și apoi există radiații. Deci, în general, discurile emit raze X și radiații din alte părți ale spectrului electromagnetic.
BT: Ai atins deja acest lucru, dar cum ar arăta galaxiile dacă găurile negre nu ar exista?
SK: Deci, ceea ce ai putea obține este ceea ce se numește adesea „formație stelară fugară”. Tot gazul ar fi consumat foarte repede și ai avea bile de stele. Nu așa arată galaxiile. Pentru a obține galaxiile de disc [we see in our universe] este foarte important să ai un fel de gaură neagră. Trebuie să obțineți un raport realist între gaz și stele, fără ca acestea să fie consumate imediat.
BT: Ce te-a atras să studiezi găurile negre? La ce întrebări vrei să răspunzi despre ei?
SK: Un lucru care îmi place foarte mult la găurile negre supermasive este că sunt aparent simple, dar apoi această fizică incredibil de bogată iese din ele. De fapt, puteți caracteriza găurile negre cu doar două numere – masa și rotația lor – și asta vă spune complet cum se comportă, se numește „nicio teoremă a părului.” Din aceste două numere puteți obține toate aceste posibilități diferite. De exemplu, unele găuri negre au jeturi, iar altele nu, unele au discuri de acreție strălucitoare, iar altele sunt complet liniștite. Interacțiunea cu galaxiile este cea care aduce asta afară.
Deci este un obiect simplu în centru care poate fi incredibil de puternic. Interacționează cu ceva care poate fi destul de complex și dezordonat, galaxia – primești gazul, praful, stelele, toate fiind ținute împreună de materia întunecată pe care nu o înțelegem prea bine. Și toate aceste componente interacționează între ele în moduri care sunt cu adevărat complexe de înțeles.
BT: Este interesant că le-ai descris ca fiind simple, pentru că în fizica relativistă ele sunt locul în care toate ecuațiile noastre se descompun și unde am putea dori să căutăm teorii ale gravitației cuantice. Pare simple doar pentru că teoriile noastre despre ele sunt?
SK: Depinde de ce ești interesat. Dacă ești interesat de ceea ce se întâmplă în orizontul evenimentelor, atunci da, sigur, singularitatea este locul în care teoriile noastre se destramă. Nu știm exact despre alte fenomene fizice, de exemplu Radiația Hawkingcare ar putea veni de fapt din interiorul găurii negre.
Dacă îți faci griji pentru toate acestea, da, ai o treabă foarte grea! Dar dacă te gândești la găurile negre astrofizice, ești interesat de fluxurile de gaz și radiațiile din jurul găurii negre. În calitate de astrofizician, poți fi destul de fericit să localizezi orizontul evenimentului, să vezi ce face cu regiunea din jurul lui și să fii relativ agnostic cu privire la ceea ce se află în interior. Locația acelui orizont în sine este determinată în mod unic de masă și spin.
BT: Ce mistere a dezvăluit JWST despre găurile negre pe care nu le știam înainte?
SK: Nu știam că va exista atât de multe găuri negre supermasive atât de devreme. Ele există într-un număr atât de mare [in the early universe] și în interiorul unor galaxii destul de mici, asta a fost surprinzător.
Doctoratul meu era despre modelarea găurilor negre în galaxii mici, a fost norocos că am lucrat la asta pentru că a devenit foarte relevant pentru universul timpuriu. JWST ne spune că activitatea găurii negre a avut loc la vremuri foarte timpurii și în mai multe galaxii decât se credea posibil. De fapt, activitatea pare a fi mai eficientă decât în universul actual.
BT: De ce ar putea fi asta?
SK: Știm cu toții despre expansiunea cosmică – deci Big bang se întâmplă și întregul univers se extinde – și asta înseamnă că în timpurile timpurii ale universului totul era puțin mai aproape unul de celălalt, astfel încât fluxurile de gaz au fost mai puternice, acest lucru ar fi putut ajuta la alimentarea găurilor negre.
O problemă este că găurile negre și supernovele sunt în competiție între ele. Atât formarea stelară, cât și găurile negre consumă gaz. Gaura neagră elimină gaz, la fel și supernovele, iar supernovele evacuează, de asemenea, gazul din regiunea centrală, iar găurile negre nu pot crește, deoarece supernovele au scos tot gazul. S-ar putea ca în universul timpuriu, dintr-un motiv sau altul, acest lucru să nu se întâmple la fel de mult, iar gaura neagră pur și simplu câștigă în acest proces.
De fapt, există un indiciu puternic că găurile negre câștigă [in the early universe]. Aproape sugerează, din cauza cât de masive sunt aceste găuri negre, că găurile negre s-au asamblat mai repede decât galaxiile lor gazdă.
BT: Ați menționat și eficiența găurii negre. Ce înseamnă asta, cum pot găurile negre să aibă eficiență?
SK: Există diverse moduri. Unul dintre mod este, atunci când atrag gaz, cât de extrem de acumulat [the speed at which the accretion disk grows] este? Există o chestie numită limită de viteză a unei găuri negre numită Limita Eddington. Măsurăm adesea, ca o fracțiune din acea limită superioară teoretică, cât de mult crește gaura neagră prin absorbția de gaz. Pentru unele obiecte măsurate de JWST, eficiența este de peste 100% – deci sunt extrem de eficiente.
Asta înseamnă, de asemenea, că nu este o limită strictă și există întotdeauna unele teorii și presupuneri care au intrat în ea, iar unele dintre aceste presupuneri ar putea fi greșite. De fapt, Webb ne-a arătat că greșesc clar în acele scenarii pentru că reușesc să depășească limita și să crească și mai repede.
BT: Și atunci de ce scade acea eficiență pe măsură ce intrăm în etapele ulterioare ale cosmosului, universul local?
SK: Deci, dacă aveți mai multe stele, pur și simplu există mai puține gaze în jur. Așadar, galaxiile s-ar putea săraci din ce în ce mai mult gazele, unele dintre ele fiind ejectate în altă parte, altele transformate în stele, iar altele fiind consumate de găurile negre. Galaxiile foarte vechi sunt de obicei dominate de stelele lor, așa-numitele galaxii eliptice.
BT: Cum cresc găurile negre în primul rând? Există trei moduri cheie, nu? Du-ne prin ele.
SK: Deci, primul este pentru prima generație de stele. Deci acestea ar fi fost mult mai masive decât soarele nostru, de aproximativ 100 de ori masa lui. Când acestea ajung la sfârșitul vieții și se prăbușesc, se prăbușesc în găuri negre. Acesta ar putea fi un bun punct de plecare [for supermassive black holes]sau ar putea fi unul provocator, deoarece începem de la 100 [solar masses] și vrem să ajungem la 1 milion.
Un punct de plecare mult mai ușor ar fi norii uriași de gaz. Acestea se prăbușesc direct în găuri negre și încep la ceva de 100.000 de ori masa soarelui, ceea ce face mult mai ușor să ajungi la o gaură neagră supermasivă. [mass scales]. Și apoi există un scenariu intermediar numit clustere de stele nucleare, în care o mulțime de stele apar în centrul galaxiilor și acestea se prăbușesc în găuri negre.
BT: Există, de asemenea, o altă opțiune acolo, ipoteza găurilor negre primordiale – posibile relicve dintr-o perioadă înainte de Big Bang. Este o teorie foarte exagerată, vedem multe dovezi pentru ea?
SK: Este o teorie foarte exagerată. Primim mai multe constrângeri și cu siguranță nu este exclus. Cred că lucrul interesant la această întrebare în acest moment este că nimic nu este exclus. Constrângerile devin tot mai strânse pe măsură ce ne apropiem din ce în ce mai mult de momentele în care s-au format aceste găuri negre.
BT: Cum am putea în sfârșit să excludem asta? Care sunt acele constrângeri?
SK: Unii oameni spun că, acum că am găsit găuri negre masive atât de devreme în univers, asta înseamnă că trebuie să se fi format din colaps direct. Există mai multe lucrări publicate care sugerează că observațiile dovedesc acest lucru.
Dar ceea ce facem acum este că ne revizuim modelele despre modul în care au crescut găurile negre în universul timpuriu pentru a vedea dacă mai există alte opțiuni pentru alte modele. Mai ales dacă găurile negre cresc eficient, mai este suficient timp pentru ca acestea să crească dintr-o sămânță foarte ușoară. Așa că aș spune chiar acum, lucrul interesant este că niciunul dintre modele nu este exclus.
BT: Deci cum căutăm răspunsuri? Am menționat că JWST detectează din ce în ce mai devreme găurile negre, există alte căi pe care le explorăm pentru a găsi răspunsuri?
SK: Un mod cu adevărat cool este cu undele gravitaționale. [Detecting them] ne va permite să cartografiam populația supermasivă a găurii negre într-un mod complet diferit. Pentru că acum, cu excepția cazului în care o gaură neagră este foarte aproape de noi și putem mapa aceste orbite stelare, singura modalitate de a observa găurile negre supermasive este dacă acestea sunt într-o fază activă.
Dar atunci când avem instrumente cu unde gravitaționale care pot identifica fuziunile supermasive ale găurilor negre, vom avea un al doilea canal care ne va ajuta să le estimăm masele. Și asta s-ar întoarce la universul timpuriu, deoarece aceste instrumente ar fi incredibil de sensibile. Apoi putem identifica semnalele de fuziune și găsim mecanisme viabile pentru creșterea lor.
BT: Munca dumneavoastră se referă la utilizarea simulărilor pentru a identifica posibile căi de creștere. Cum ne ajută ele să găsim răspunsuri?
SK: Este o interacțiune constantă între observație și simulare. Deci, o observație, de exemplu găurile negre supermasive timpurii, ne oferă ceva de explicat. Aceasta înseamnă că ar putea fi nevoie să ajustăm modelele pentru a permite acest tip de creștere de la început. Simulările ne ajută apoi să știm ce să căutăm, iar când aceste observații revin, ne putem ajusta din nou modelele.
Lucrez îndeaproape cu observatorii și fac parte dintr-un program amplu al JWST care va face observații anul viitor și va face urmăriri ale acestor găuri negre supermasive aflate la începuturile lor pentru a le înțelege mai bine.
BT: Deci, în sfârșit, care sunt domeniile noi de cercetare în găurile negre gigantice de care ești cel mai încântat?
SK: Sunt super încântat de detector de unde gravitaționale LISA că va intra online în anii 2030 atunci vom putea măsura undele gravitaționale nu doar de la mici găuri negre, ci și de la găurile negre supermasive. Trebuie să fii în spațiu pentru a face asta.
De asemenea, sunt destul de tocilar când vine vorba de codificare și construirea de modele, așa că sunt și încântat de dezvoltarea tehnică. Un exemplu cu adevărat interesant care este peste tot în știri este, desigur, AI.
Folosim inteligența artificială pentru a ne accelera simulările, pentru a le face și mai precise și pentru a încerca să acoperim toate scările de la spațiul imens al rețelei cosmice până la orizonturile evenimentelor. Acesta este ceva ce este imposibil de făcut chiar și direct în acest moment, deoarece resursele de calcul chiar și ale celor mai mari și mai bune supercomputere consideră că este prea intens, dar putem folosi AI pentru a dezvolta soluții pentru asta.
Nota editorului: Acest interviu a fost condensat și editat pentru claritate.
Comentarii recente