Το εκρηκτικό, υπερηχητικό αέριο μπορεί να έχει δημιουργήσει τις μεγαλύτερες μαύρες τρύπες στα μωρά σύμπαντα

Ένα κεντρικό μυστήριο περιβάλλει τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που στοιχειώνουν τους πυρήνες των γαλαξιών:Πώς έγιναν τόσο μεγάλες τόσο γρήγορα; Τώρα, μια νέα μελέτη που βασίζεται σε προσομοίωση υπολογιστή υποδηλώνει ότι αυτοί οι γίγαντες σχηματίστηκαν και τροφοδοτήθηκαν από ογκώδη σύννεφα αερίου που γλιστρούσαν στον απόηχο της Μεγάλης Έκρηξης.

«Αυτό είναι πραγματικά ένα νέο μονοπάτι», λέει ο Volker Bromm, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ώστιν, ο οποίος δεν ήταν μέλος της ερευνητικής ομάδας. "Αλλά δεν είναι… το ένα και μοναδικό μονοπάτι."

Οι αστρονόμοι γνωρίζουν ότι, όταν το σύμπαν ήταν μόλις ένα δισεκατομμύριο ετών, μερικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ήταν ήδη ένα δισεκατομμύριο φορές βαρύτερες από τον ήλιο. Αυτό είναι πολύ μεγάλο για να έχουν δημιουργηθεί μέσω των αργών συγχωνεύσεων μικρών μαύρων οπών που σχηματίζονται με τον συμβατικό τρόπο, από αστέρια που έχουν καταρρεύσει μερικές δεκάδες φορές τη μάζα του ήλιου. Αντίθετα, η επικρατούσα ιδέα είναι ότι αυτά τα μεγαθήρια είχαν ένα προβάδισμα. Θα μπορούσαν να έχουν συμπυκνωθεί απευθείας από τα νέφη των σπόρων αερίου υδρογόνου που ζυγίζουν δεκάδες χιλιάδες ηλιακές μάζες και να έχουν αναπτυχθεί από εκεί καταπίνοντας περισσότερο αέριο βαρυτικά. Αλλά ο κατάλογος των εύλογων τρόπων για να συμβούν αυτά τα σενάρια «άμεσης κατάρρευσης» είναι σύντομη και κάθε επιλογή απαιτεί μια τέλεια καταιγίδα περιστάσεων.

Για τους θεωρητικούς που ασχολούνται με τα μοντέλα υπολογιστών, το πρόβλημα έγκειται στο να συσσωρευτεί μια τεράστια ποσότητα αερίου για αρκετό καιρό ώστε να καταρρεύσει αμέσως, σε μια δίνη που τροφοδοτεί μια εκκολαπτόμενη μαύρη τρύπα σαν νερό σε μια αποχέτευση νεροχύτη. Εάν κάποια μέρη του νέφους αερίων κρυώσουν ή συσσωρευτούν νωρίς, θα κατακερματιστούν και θα συνενωθούν σε αστέρια. Μόλις σχηματιστεί, η ακτινοβολία από τα αστέρια θα εκτόξευε το υπόλοιπο νέφος αερίου.

Μια επιλογή, που πρωτοστάτησε ο Bromm και άλλοι, είναι να λούσουμε ένα σύννεφο αερίου με υπεριώδες φως, ίσως από αστέρια σε έναν διπλανό γαλαξία, και να το διατηρήσουμε αρκετά ζεστό ώστε να αντισταθεί στη συσσώρευση. Αλλά το να έχουμε έναν γαλαξία αρκετά κοντά για να παρέχει αυτή την υπηρεσία θα ήταν εντελώς σύμπτωση.

Η νέα μελέτη προτείνει μια διαφορετική προέλευση. Τόσο το πρώιμο σύμπαν όσο και το σημερινό αποτελούνται από οικεία ύλη όπως το υδρογόνο, συν αόρατες συστάδες σκοτεινής ύλης. Σήμερα, αυτά τα δύο στοιχεία κινούνται συγχρονισμένα. Αλλά πολύ νωρίς, η κανονική ύλη μπορεί να έχει ολισθήσει εμπρός και πίσω με υπερηχητικές ταχύτητες σε έναν σκελετό που παρέχεται από ψυχρότερη, πιο αργή σκοτεινή ύλη. Στη μελέτη, που δημοσιεύτηκε σήμερα στο Science , οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι εκεί που αυτές οι υπερτάσεις ήταν ισχυρές και διέσχιζαν το μονοπάτι των βαριών συστάδων σκοτεινής ύλης, το αέριο αντιστάθηκε στην πρόωρη κατάρρευση σε αστέρια και αντ' αυτού έρεε στον σπόρο μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας. Αυτά τα σενάρια θα ήταν σπάνια, αλλά θα εξακολουθούσαν να ταιριάζουν κατά προσέγγιση με τον αριθμό των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών που παρατηρούνται σήμερα, λέει ο Shingo Hirano, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας και επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Η Priya Natarajan, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale, λέει ότι η νέα προσομοίωση αντιπροσωπεύει σημαντική υπολογιστική πρόοδο. Αλλά επειδή θα είχε λάβει χώρα σε μια πολύ μακρινή, πρώιμη στιγμή στην ιστορία του σύμπαντος, θα είναι δύσκολο να επαληθευτεί. «Πιστεύω ότι ο ίδιος ο μηχανισμός σε λεπτομέρεια δεν πρόκειται να δοκιμαστεί», λέει. "Δεν θα δούμε ποτέ το αέριο να γλιστράει και να πέφτει μέσα."

Αλλά ο Bromm είναι πιο αισιόδοξος, ειδικά εάν τέτοιοι σπόροι μαύρης τρύπας άμεσης κατάρρευσης σχηματίστηκαν επίσης λίγο αργότερα στην ιστορία του σύμπαντος. Αυτός, ο Natarajan και άλλοι αστρονόμοι έψαχναν για τέτοιου είδους μωρά μαύρες τρύπες, ελπίζοντας να επιβεβαιώσουν ότι όντως υπάρχουν και στη συνέχεια προσπαθώντας να βρουν την προέλευσή τους από τις κατάντη συνέπειες.

Το 2016, βρήκαν αρκετούς υποψηφίους, οι οποίοι φαίνεται να έχουν σχηματιστεί μέσω άμεσης κατάρρευσης και τώρα συσσωρεύουν ύλη από νέφη αερίου. Και νωρίτερα φέτος, οι αστρονόμοι έδειξαν ότι από το πρώιμο, μακρινό σύμπαν λείπει η λάμψη του φωτός των ακτίνων Χ που θα περίμενε κανείς από ένα πλήθος μικρών μαύρων τρυπών - ένα άλλο σημάδι που ευνοεί την ξαφνική γέννηση μεγάλων σπόρων που συνεχίζουν να είναι υπέρβαροι μαύροι τρύπες. Ο Bromm ελπίζει ότι οι επερχόμενες παρατηρήσεις θα παράσχουν πιο σαφή στοιχεία, μαζί με ευκαιρίες αξιολόγησης των διαφορετικών θεωριών προέλευσης. «Έχουμε αυτές τις προβλέψεις, έχουμε τις υπογραφές και μετά βλέπουμε τι βρίσκουμε», λέει. "Έτσι το παιχνίδι είναι σε εξέλιξη."