Hur bildades universumets första supermassiva svarta hål? En ny modell för utvecklingen av galaxer och svarta hål visar att kollisioner visar att kolliderande galaxer sannolikt skapade svarta hål som bildades för cirka 13 miljarder år sedan. Upptäckten fyller i ett saknat kapitel i vårt universums tidiga historia och kan hjälpa till att skriva nästa kapitel - där forskare bättre förstår hur gravitation och mörk materia bildade universum som vi känner till det.
Efter den senaste upptäckten att galaxer bildades mycket tidigare i universumets historia än tidigare trott, skapade Stelios Kazantzidis från Ohio State University och hans team nya datorsimuleringar som visar de allra första supermassiva svarta hålen som troligen föddes när de tidiga galaxerna kolliderade och slogs samman. Detta hände sannolikt under de första miljarder åren efter Big Bang.
"Våra resultat lägger till en ny milstolpe till det viktiga insikten om hur struktur bildas i universum," sade Kazantzidis.
Tidigare trodde astronomer att galaxer utvecklades hierarkiskt, där tyngdekraften först samlade små bitar av materia och dessa små bitar gradvis sammanfördes för att bilda större strukturer.
Men de nya modellerna vänder uppfattningen på huvudet.
”Tillsammans med dessa andra upptäckter visar vårt resultat att stora strukturer - både galaxer och massiva svarta hål - snabbt byggs upp i universums historia,” sade han. ”Fantastiskt är det i strid med hierarkisk strukturbildning. Paradoxen löses när man inser att mörk materia växer hierarkiskt, men vanligt är det inte. Den normala materien som utgör synliga galaxer och supermassiva svarta hål kollapsar mer effektivt, och detta var sant också när universum var mycket ungt, vilket gav upphov till en anti-hierarkisk bildning av galaxer och svarta hål. ”
Så det betyder att stora galaxer och supermassiva svarta hål snabbt samlas och mindre bitar som vår egen Vintergalax - och det relativt lilla svarta hålet i mitten - formar långsammare. Galaxerna som bildade de första supermassiva svarta hålen finns fortfarande kvar, sade Kazantzidis.
De nya simuleringarna gjorda på superdatorer kunde lösa funktioner som var 100 gånger mindre och avslöjade detaljer i hjärtat av de sammanslagna galaxerna i en skala på mindre än ett ljusår.
På grund av detta kunde astronomerna se två saker: För det första kondenserade gas och damm i galaxernas centrum för att bilda en tät kärnkraftsskiva. Då blev skivan instabil, och gasen och dammet drog sig igen för att bilda ett ännu tätare moln som så småningom gett upp ett supermassivt svart hål.
Konsekvenserna för kosmologin är långtgående, sade Kazantzidis.
”Till exempel måste standardidén - att en galaxs egenskaper och massan i det centrala svarta hålet är relaterade eftersom de två växer parallellt - måste revideras. I vår modell växer det svarta hålet mycket snabbare än galaxen. Så det kan vara så att det svarta hålet inte regleras alls av galaxens tillväxt. Det kan vara så att galaxen regleras av tillväxten av det svarta hålet. ”
Denna nya modell kan också hjälpa astronomer som söker på himlen efter direkt bevis på Einsteins teori om allmän relativitet: gravitationsvågor.
Enligt generell relativitet skulle alla antika galaxfusioner ha skapat massiva gravitationsvågor - krusningar i rymdtidskontinuumet - som resterna fortfarande bör vara synliga idag.
Nya gravitationsvågdetektorer, såsom NASA: s laserinterferometer Space Antenna, designades för att detektera dessa vågor direkt och öppna ett nytt fönster i astrofysiska och fysiska fenomen som inte kan studeras på andra sätt.
Forskare kommer att behöva veta hur supermassiva svarta hål som bildades i det tidiga universum och hur de distribueras i rymden idag för att tolka resultaten av dessa experiment. De nya datorsimuleringarna bör ge en ledtråd.
Se den här länken för videor av modellerna av galaxkollisioner.
Källa: Ohio State University
