Κυνηγώντας για «σπόρους» υπερμεγεθών μελανών οπών και προτείνοντας παρατηρήσεις επιβεβαίωσης

Πρόσφατες παρατηρήσεις έδειξαν ότι μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα υπάρχει στο κέντρο κάθε γαλαξία. Ωστόσο σήμερα, είναι ακόμη μυστήριο ποια είναι η προέλευση αυτών των υπερμεγεθών μελανών οπών. Μια διεθνής ερευνητική ομάδα υπό την ηγεσία του Εθνικού Αστρονομικού Παρατηρητηρίου της Ιαπωνίας και του ASIAA (Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics) στην Ταϊβάν έχει προβλέψει μια βίαια υπεκαινοφανή (έκρηξη) ενός υπερμεγέθους άστρου, ως πιθανό πρόγονο των υπερμεγεθών μελανών οπών. Οι υπολογισμοί των μελών της ομάδας υποδεικνύουν ότι αυτή η υπερκαινοφανής μπορεί να παρατηρηθεί από το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb (JWST) που θα εκτοξευθεί μέχρι το τέλος του 2021.

Η μελέτη της διαμόρφωσης υπερμεγεθών μελανών οπών είναι ένα σημαντικό πεδίο στη σύγχρονη αστροφυσική. Η επικρατούσα θεωρία υποστηρίζει ότι οι «σπόροι» των υπερμεγεθών μελανών οπών δημιουργήθηκαν μετά το θάνατο των πρώτων άστρων μεγάλης μάζας στο πρώιμο σύμπαν, στη συνέχεια οι σπόροι αυτοί συνέχισαν να συσσωρεύουν το περιβάλλον αέριο και τελικά διαμορφώθηκαν οι σημερινές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Ωστόσο, η θεωρία αυτή ελέγχεται επειδή τα περισσότερα άστρα μεγάλης μάζας που παρατηρήθηκαν στο τοπικό σύμπαν είναι περίπου μια ή δυο εκατοντάδες ηλιακές μάζες. Αν τα πρώτα άστρα με λίγες εκατοντάδες ηλιακές μάζες πέθαναν ως σπόροι μελανών οπών, χρειάζεται να διατηρήσουν την υψηλότερη απόδοση προσαύξησης για να διαμορφώσουν τις υπερμεγέθεις μελανές οπές που παρατηρούνται σήμερα. Όμως είναι πολύ δύσκολο να διατηρήσουν υψηλό ρυθμό προσαύξησης σε ένα πραγματικό περιβάλλον.

«Μπορεί να υπήρχε ένας μικρός αριθμός πρώτων άστρων στο πρώιμο σύμπαν με δεκάδες χιλιάδων ηλιακές μάζες. Είναι πιθανά οι πρόγονοι των υπερμεγεθών μελανών οπών στους γαλαξίες. Επειδή όσο πιο μεγάλης μάζας είναι ο σπόρος μιας μαύρης τρύπας τόσο πιο αποδοτική είναι η πρόσληψη της περιβάλλουσας ύλης. Οι μαύρες τρύπες δεν χρειάζεται να διατηρήσουν υψηλό ρυθμό προσαύξησης για να αναπτυχθούν γρήγορα». Αυτά αναφέρει ο Ke-Jung Chen από το ASIAA της Ταϊβάν, ο οποίος πρότεινε σε ερευνητική εργασία του, το 2014, μια υπερκαινοφανή σχετικιστική αστάθεια από ένα αρχέγονο υπερμέγεθες άστρο (με 10^4 – 10^5 ηλιακές μάζες).

Το ζήτημα είναι πώς θα αποδειχθεί η ύπαρξη αυτών των άστρων μεγάλης μάζας. Είναι μια παρατηρησιακή πρόκληση, επειδή τα περισσότερα από αυτά τα υπερμεγέθη άστρα κατέρρευσαν σε μαύρες τρύπες. Με βάση το μοντέλο της υπερκαινοφανούς (έκρηξης) που προτάθηκε από τον Chen, η ερευνητική ομάδα πραγματοποίησε μια νέα προσομοίωση μεταφοράς ακτινοβολίας και βρήκε ότι η επερχόμενη αποστολή του JWST έχει την ευκαιρία να παρατηρήσει αυτήν την υπερκαινοφανή! Εάν πραγματικά παρατηρηθεί μέχρι τότε, μπορεί να επιβεβαιωθεί η προέλευση της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας, στον γαλαξία, που προέρχεται από το πρώτο υπερμέγεθες άστρο.

Στην εικόνα εμφανίζεται ένα καθρέφτισμα μισού κομματιού μέσα στο εσωτερικό μιας προσομοίωσης έκρηξης υπερμεγέθους άστρου των 55.000 ηλιακών μαζών μια μέρα μετά την έναρξη της έκρηξης. Η ακτίνα της εξωτερικής περιφέρειας είναι κοντά σε αυτήν της τροχιάς της Γης (Credit: K.-J. Chen).