Υπερμεγέθεις Μαύρες Τρύπες: Υπερηχητικά ρεύματα αερίου οδηγούν στη δημιουργία τους, σύμφωνα με νέα μελέτη

Διεθνής ομάδα ερευνητών έχει χρησιμοποιήσει με επιτυχία προσομοίωση υπερ-υπολογιστή για να αναδημιουργήσουν το σχηματισμό μας μαύρης τρύπας τεράστιας μάζας από υπερηχητικά ρεύματα αερίου που απέμεινε από τη Μεγάλη Έκρηξη. Η μελέτη τους, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science, δείχνει ότι αυτή η μαύρη τρύπα θα μπορούσε να είναι η πηγή της γέννησης και ανάπτυξης των μεγαλύτερων και παλαιότερων υπερ-μαζικών μελανών οπών που καταγράφηκαν στο σύμπαν μας.

«Είναι μια σημαντική πρόοδος. Η προέλευση των τεράστιων μελανών οπών είναι ένα μακροχρόνιο μυστήριο και τώρα έχουμε μια λύση για αυτό», δηλώνει ο Naoki Yoshida, συγγραφέας και Κύριος Ερευνητής του Ινστιτούτου Kavli για τη Φυσική και τα Μαθηματικά του Σύμπαντος (Kavli IPMU). Οι πρόσφατες ανακαλύψεις αυτών των τεράστιας μάζας μελανών οπών, τις τοποθετούν 13 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά μας, στοιχείο που ανταποκρίνεται στην περίοδο που το σύμπαν είχε μόνο το 5% της σημερινής του ηλικίας. Αυτές οι ανακαλύψεις θέτουν μια σειρά από προκλήσεις για τη θεωρία της διαμόρφωσης και εξέλιξης της μαύρης τρύπας, αφού οι φυσικοί μηχανισμοί που σχηματίζουν μαύρες τρύπες και οδηγούν την ανάπτυξή τους δεν έχουν κατανοηθεί ικανοποιητικά.

Θεωρητικές μελέτες έχουν προτείνει ότι αυτές οι μαύρες τρύπες διαμορφώθηκαν από απομεινάρια των άστρων πρώτης γενιάς, ή από μια άμεση βαρυτική κατάρρευση ενός αρχέγονου μεγάλης μάζας νέφους αερίου. Ωστόσο, οι θεωρίες αυτές είτε παρουσιάζουν δυσκολίες στη διαμόρφωση υπερ-μαζικών μελανών οπών αρκετά γρήγορα, ή απαιτούν πολύ ειδικές συνθήκες.

Προβλεπόμενες κατανομές πυκνότητας σκοτεινής ύλης (υπόβαθρο και πρώτη επάνω εικόνα) και αερίου (κάτω τρεις εικόνες), των συστατικών όταν διαμορφώνεται ένα υπερ-μαζικό άστρο.

 

Ο Yoshida και ο συνάδελφός του Shingo Hirano, αυτή τη περίοδο στο Πανεπιστήμιο του Texas στο Austin, προσδιόρισαν μια πολλά υποσχόμενη φυσική διεργασία μέσω της οποίας θα μπορούσε να διαμορφωθεί αρκετά γρήγορα μια μαύρη τρύπα μεγάλης μάζας. Το κλειδί ήταν η ενσωμάτωση του φαινομένου των υπερηχητικών κινήσεων του αερίου με αναφορά στη σκοτεινή ύλη. Οι προσομοιώσεις της ομάδας σε υπερ-υπολογιστή έδειξαν ότι, όταν το σύμπαν ήταν ηλικίας 100 εκατομμυρίων ετών, είχε διαμορφωθεί μια μεγάλης μάζας συσσώρευση σκοτεινής ύλης. Τα υπερηχητικά ρεύματα αερίου που δημιουργήθηκαν από τη Μεγάλη Έκρηξη συνελήφθησαν από τη σκοτεινή ύλη για να διαμορφώσουν ένα πυκνό και στροβιλιζόμενο αέριο νέφος. Μέσα σε αυτό άρχισε να διαμορφώνεται ένα πρωτοάστρο και επειδή το αέριο που το περιέβαλε παρείχε περισσότερο από αρκετό υλικό για την τροφοδοσία του, το άστρο μπόρεσε να αναπτυχθεί και να γίνει εξαιρετικά μεγάλο σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα χωρίς να απελευθερώσει πολλή ακτινοβολία.

«Μόλις έφθασε σε μάζα 34000 φορές τη μάζα του Ήλιου μας, το άστρο κατέρρευσε από την ίδια του τη βαρύτητα, αφήνοντας μια τεράστιας μάζας μαύρη τρύπα. Αυτές οι τεράστιας μάζας μαύρες τρύπες που γεννήθηκαν στο πρώιμο σύμπαν συνέχισαν να αναπτύσσονται και να συγχωνεύονται για να γίνουν μια υπερ-μαζική μαύρη τρύπα», αναφέρει ο Yoshida. Για να συμπληρώσει ο Hirano: «Το μέγεθος της πυκνότητας των υπερ-μαζικών μελανών οπών προκύπτει να είναι κατά προσέγγιση ένα ανά όγκο κύβου πλευράς τριών δισεκατομμυρίων ετών φωτός – αξιοσημείωτα κοντά στο παρατηρούμενο μέγεθος της πυκνότητας των υπερ-μαζικών μελανών οπών».

Το εύρημα από αυτή τη μελέτη θα είναι σημαντικό για τη μελλοντική έρευνα στην περιοχή της ανάπτυξης των μελανών οπών. Ειδικά με τον αυξανόμενο αριθμό παρατηρήσεων μελανών οπών στο μακρινό σύμπαν που αναμένεται, όταν εκτοξευθεί την ερχόμενη χρονιά το Διαστημικό Τηλεσκόπιο της NASA, James Webb.