Οι μαύρες τρύπες στο πρώιμο σύμπαν

Τελευταία αναπτύσσεται συνεχώς μια άποψη ότι οι μαύρες τρύπες στο πρώιμο σύμπαν μπορεί να ήταν οι σπόροι γύρω από τους οποίους πρωτο-αναπτύχθηκαν οι περισσότεροι από τους μεγάλους σημερινούς γαλαξίες (είναι αυτοί που έχουν στα κέντρα τους υπερβαρέες μαύρες τρύπες). Και κάνοντας ένα βήμα πιο πίσω στον χρόνο, θα μπορούσαμε, επίσης, να πούμε ότι οι μαύρες τρύπες ήταν το κλειδί για τον επαναϊονισμό του πρώιμου διαστρικού μέσου, στις απαρχές του σύμπαντος, – γεγονός που επηρέασε τότε τις μεγάλες σημερινές δομές του σύμπαντος.

 

Δυαδικά συστήματα ήταν μάλλον συνηθισμένα στο πρώιμο σύμπαν – και οι μαύρες τρύπες σε αυτά που εκπέμπουν ακτίνες-Χ μπορεί να διαμόρφωσαν τη μοίρα του σύμπαντος αργότερα.
 

Για να ανακεφαλαιώσουμε εκείνες τις πρώτες εποχές …

Πρώτα ήταν το Big Bang – και για περίπου τρία λεπτά όλα ήταν πολύ συμπαγή και ως εκ τούτου πολύ καυτά – αλλά μετά από τρία λεπτά σχηματίστηκαν το πρώτο πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια. Για τα επόμενα 17 λεπτά ένα μέρος αυτών των πρωτονίων συνδυάστηκαν για να σχηματίσουν πυρήνες ηλίου – μέχρι 20 λεπτά μετά το Μπιγκ Μπανγκ, το σύμπαν λόγω της διαστολής έγινε πάρα πολύ ψυχρό για να διατηρηθεί η νουκλεοσύνθεση. Μετά, τα πρωτόνια και οι πυρήνες ηλίου μαζί με τα ηλεκτρόνια απλά αναπηδούσαν δεξιά αριστερά, χωρίς να συνδυάζονται για τον σχηματισμό των ατόμων, σαν ένα πολύ καυτό πλάσμα. Κι αυτό κράτησε, περίπου, 380.000 χρόνια.

 

Υπήρχαν πολλά φωτόνια, αλλά υπήρχε μικρή πιθανότητα αυτά τα φωτόνια να κάνουν οτιδήποτε, εκτός από το να σχηματιστούν και αμέσως μετά να απορροφηθούν από ένα παρακείμενο σωματίδιο σε αυτό το καυτό καυτό πλάσμα. Αλλά σε 380.000 χρόνια, το διαστελλόμενο σύμπαν είχε ψυχθεί τόσο ώστε μπορούσαν πια τα πρωτόνια και οι πυρήνες του ηλίου να συνδυαστούν με τα ηλεκτρόνια για να σχηματίσουν τα πρώτα άτομα. Έτσι ξαφνικά τα φωτόνια έμειναν μέσα στον κενό χώρο και μπορούσαν να διαδοθούν μακριά. Το πρώτο εκείνο φως στο νεαρό σύμπαν ακόμα και σήμερα μπορούμε να το ανιχνεύσουμε στην κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων.

 

Εν συνεχεία ακολούθησαν οι Σκοτεινοί Αιώνες μέχρι, περίπου, μισό δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang, οπότε άρχισαν να διαμορφώνονται τα πρώτα αστέρια. Είναι πιθανό ότι αυτά τα αστέρια ήταν πολύ μεγάλα, καθώς τα ψυχρά, σταθερά άτομα υδρογόνου (και ήλιου), μπορούσαν εύκολα να συσσωρευτούν και να σχηματίσουν μεγάλους όγκους. Μερικά από αυτά τα πρώτα αστέρια μπορεί να ήταν τόσο μεγάλα – κάπου 130 με 250 ηλιακές μάζες – που γρήγορα έφτασαν στο στάδιο του να γίνουν μερικά σουπερνόβα και άλλα έγιναν μαύρες τρύπες. Γιατί είχαν τέτοια βαρύτητα αυτά τα άστρα, που δεν επέτρεψε να καταστεί δυνατή μια έκρηξη σουπερνόβα και να σκορπίσει στο διάστημα υλικό έξω από το αστέρι.

 

Και εδώ ξεκινάει η ιστορία του επαναϊονισμού. Τα ψυχρά, σταθερά άτομα υδρογόνου του πρώιμου διαστρικού μέσου δεν έμειναν ψυχρά και σταθερά για πολύ καιρό. Σε ένα μικρότερο σύμπαν γεμάτο από πολύ πυκνά και μεγάλα αστέρια, αυτά τα άτομα γρήγορα θερμάνθηκαν αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνιά τους να ξεφύγουν από τους πυρήνες τους και να γίνουν ιόντα και πάλι. Αυτό δημιούργησε ένα πλάσμα χαμηλής πυκνότητας – και ακόμα πολύ καυτό, αλλά που προκαλούσε μεγάλη διάχυση ενώ ήταν διαφανές στο φως.

 

Από τα ιόντα προς τα άτομα και πάλι προς τα ιόντα – εξ ου και ο όρος επαναϊονισμός. Η μόνη διαφορά είναι ότι μισό δισεκατομμύριο χρόνια μετά το Big Bang, το επαναιονισμένο πλάσμα του διαστρικού μέσου ήταν τόσο διάχυτο που παρέμεινε – και παραμένει – διαφανές στην ακτινοβολία

 

Είναι πιθανό ότι αυτό το βήμα επαναϊονισμού περιορίζει στη συνέχεια το μέγεθος στο οποίο τα νέα αστέρια θα μπορούσαν να μεγαλώσουν – ενώ περιορίζει και τις ευκαιρίες για να αυξηθούν οι νέοι γαλαξίες – επειδή τα καυτά, διεγερμένα ιόντα είναι λιγότερο πιθανό να συγκεντρωθούν μαζί και να αυξηθούν από τα ψυχρά, σταθερά άτομα. Ο επαναϊονισμός μπορεί να συνέβαλε στην δημιουργία μεγάλων συγκεντρώσεων  της ύλης – η οποία είναι οργανωμένη σε γενικές γραμμές σε μεγάλους, διακριτούς γαλαξίες και όχι να είναι σε όλο το σύμπαν αστέρια παντού.

 

Υπάρχει η άποψη ότι οι πρώιμες μεγάλες μαύρες τρύπες με μεγάλη εκπομπή ακτίνων Χ – μπορεί να είχαν μεγάλη συμβολή στον επαναϊονισμό του πρώιμου σύμπαντος. Μοντέλα δείχνουν ότι στο πρώιμο σύμπαν, με μια τάση προς πολύ μεγάλα αστέρια, ήταν πολύ πιο πιθανό να υπήρχαν μαύρες τρύπες ως αστρικά κατάλοιπα, παρά αστέρια νετρονίων ή λευκούς νάνους. Επίσης, οι μαύρες τρύπες θα ήταν πιο συχνά σε δυαδικά συστήματα από ότι μεμονωμένα.

 

Έτσι, σε ένα πολύ μεγάλο δυαδικό σύστημα με μία μαύρη τρύπα – η μαύρη τρύπα γρήγορα θα αρχίσει να συσσωρεύει υλικό σε ένα μεγάλο δίσκο συσσώρευσης, υλικό που προέρχεται από το άλλο αστέρι. Στη συνέχεια, αυτοί οι δίσκοι συσσώρευσης θα αρχίσουν να εκπέμπουν φωτόνια υψηλής ενέργειας, ιδίως ακτίνες-X.

 

Αυτά τα φωτόνια υψηλής ενέργειας ακτίνων Χ – θα μπορούσαν δυνητικά να θερμάνουν και να ιονίσουν πολλαπλά άτομα στην πορεία του, ενώ τα φωτόνιο ενός λαμπρού άστρου δεν μπορούν παρά να επαναιονίσουν ένα ή δύο άτομα μόνο.

 

Κάπως έτσι έχουν τα πράγματα. Αλλά υπάρχει κάτι που δεν μπορούν να κάνουν οι μαύρες τρύπες;