Illustration av det tidiga universum. Bildkredit: NASA. Klicka för att förstora.
Allt började för länge sedan medan universum var mycket ungt. De tidigaste massiva uppfödarstjärnorna frolickade i sin ungdom - snurrande och cavorting bland rika gröna gräs av jungfrulig materia. När deras tilldelade tid spelades ut kokade kärnkraftsmotorer av expansiva strömmar av het väte och heliumgas - vilket berikade det interstellära mediet. Under denna fas bildades supermassiva stjärnkluster i små fickor nära de galande galaktiska kärnorna - varje kluster simmar i små regioner av primordial mini-haloämne.
Efter att ha slutfört sin cykel exploderade de tidigaste uppfödarstjärnorna och spjödde ut tunga atomer. Men innan alltför mycket tungt material samlats i universum, de tidigaste svarta hålen bildades, växte snabbt genom ömsesidig assimilering och ackumulerade tillräckligt med gravitationspåverkan för att dra "Goldilocks" -gaser med exakta temperaturer och sammansättning till stora breda ackretionsskivor. Denna superkritiska tillväxtfas mognar de tidigaste massiva svarta hålen (MBH: er) snabbt till supermassivt svart hål (SMBH) -status. Av detta fick de tidigaste kvasarna bosättning inom de smälta minihalor av många protogalaxer.
Denna bild av tidig kvasarbildning kom fram från en ny artikel (publicerad 2 juni 2005) med titeln ”Snabb tillväxt av svarta hål med höga redskift”, skriven av Cambridge UK kosmologer Martin J. Rees och Marta Volonteri. Denna studie behandlar möjligheten att ett kort fönster med snabb SMBB-bildning öppnades efter tiden för universell öppenhet men innan gaser i det interstellära mediet helt återjoniserades genom stjärnstrålning och ympades med tungmetaller av supernovaer. Rees-Volonteri-modellen försöker förklara fakta från Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Efter 1 miljard år efter Big Bang hade många mycket strålande kvasarer redan bildats. Var och en med SMBH: er med massor som överstiger 1 miljard solar. Dessa hade uppstått från "frö svarta hål" - gravitationskärnor som lämnats efter den tidigaste cykeln av supernovaer kollaps bland de första massiva galaktiska kluster. Efter en miljard år efter Big Bang var det bara över. Hur kunde så mycket massa kondensera så snabbt i så små rymdområden?
Enligt Volontari och Rees, "Att odla sådana frön upp till 1 miljard solmassor kräver en nästan kontinuerlig gasavskiljning ..." Att arbeta mot en så hög utvidgningsgrad är det faktum att strålning från materia som faller i ett svart hål typiskt kompenserar snabbt " viktökning". De flesta modeller av SMBH-tillväxt visar att cirka 30% av massan som faller mot ett mellanliggande (massivt - inte supermassivt) svart hål omvandlas till strålning. Effekten av detta är tvåfaldigt: Ämne som annars skulle mata MBH förloras till strålning, och det yttre strålningstrycket kväver marschen av ytterligare material inåt för att mata snabb tillväxt.
Nyckeln till att förstå snabb bildning av SMBH ligger i möjligheten att tidiga ackretionsskivor kring MBH: er inte var lika optiskt täta som de är i dag - utan "fett" med fördjupad fördelad materia. Under sådana förhållanden har strålning en bredare medelfri fri bana och kan komma bortom skivor utan att hindra materiens rörelse inåt. Bränsle som driver hela SMBH-tillväxtprocessen levereras rikligt in i black hole-händelseshorisonten. Under tiden var typmaterialet som var närvarande i den tidigaste epoken huvudsakligen monatomiskt väte och helium - inte den typ av tungmetallrik tillförselskivor från en senare era. Allt detta antyder att tidiga MBH: s växte upp i en hast, och i slutändan står för de många fullt mogna kvasarna som ses i SDSS-datasatsen. Sådana tidiga MBH: er måste ha haft massa-energiomvandlingsförhållanden som är mer typiska för fullt mogna SMBH: er än MBH: s i dag.
Volontari och Rees säger att tidigare utredare har visat att fullt utvecklade "kvasarer har en massa-energiomvandlingseffektivitet på ungefär 10% ..." Paret varnar emellertid att detta mass-energi-omvandlingsvärde kommer från studier av kvasarer från en senare period i Universal expansion och att "inget är känt om strålningseffektiviteten hos pregalaktiska kvasarer i det tidiga universum." Av denna anledning kanske "den bild vi har av det låga rödförskjutningsuniverset inte gäller vid tidigare tidpunkter." Det är tydligt att det tidiga universum var tätare med material, den materien låg vid en högre temperatur och det fanns ett högre förhållande mellan icke-metaller och metaller. Alla dessa faktorer säger att det är nästan vem som helst bäst gissa vad gäller massa-energi omvandlingseffektivitet för tidiga MBH. Eftersom vi nu måste redogöra för varför så många SMBH finns bland tidiga kvasarer, är det vettigt att Volontari och Rees använder det de känner till dagens ackretionsskivor som ett sätt att förklara hur de sådana diskar kan ha varit annorlunda tidigare.
Och det är de tidigaste tiderna - innan strålning från många stjärnor återjoniserade gaser inom det mellanstjärniga mediet - som erbjöd förhållanden som är mogna för snabb bildning av SMBH. Sådana förhållanden kan mycket väl ha varat under 100 miljoner år och krävt en skicklig balans i temperaturen, densiteten, distributionen och sammansättningen av materialet i universum.
För att få en fullständig bild (som målad i papperet) börjar vi med idén att det tidiga universum var befolkat av otaliga minihalor bestående av mörkt och baryoniskt material med mycket massiva men ytterst täta stjärnkluster i deras mitt. På grund av tätheten i dessa kluster - och massorna hos stjärnorna som omfattar dem - utvecklades supernovaer snabbt för att leka många "frösvart hål". Dessa utsäde BH: er samlas i massiva svarta hål. Samtidigt förde gravitationskrafter och verkliga rörelser snabbt de olika minihalorna. Detta skapade allt massivare glosor som kan mata MBH: er.
I det tidiga universum tog materien kring MBH: er form av enorma metallfattiga sfärer med väte och helium i genomsnitt cirka 8000 grader Kelvin i temperatur. Vid så höga temperaturer förblir atomer joniserade. På grund av jonisering fanns det få elektroner associerade med atomer för att fungera som fotonfällor. Effekterna av strålningstrycket minskade till den punkt där materien föll lättare in i en händelsehorisont för svarta hål. Samtidigt sprider fria elektroner själva ljus. En del av det ljuset strålar faktiskt tillbaka mot ackretionsskivan och en annan massakälla - i form av energi - matar systemet. Slutligen innebär en brist på tungmetaller - såsom syre, kol och kväve - att monotomiska atomer förblir varma. För när temperaturen faller under 4 000 grader K avjoniseras atomerna och blir åter utsatta för strålningstryck som minskar flödet av färskt material som faller in i BH-händelseshorisonten. Alla dessa rent fysiska egenskaper tenderade att pressa massa-energieffektivitetsförhållandena ner - vilket gör att MBH: er snabbt kan tyngdas.
Samtidigt som minihalor smälts samman kondenseras het baryoniskt material till enorma "tjocka" skivor - inte de tunna ringarna som ses runt SMBHs idag. Detta hände på grund av att haloämnet självt helt omgav de snabbt växande MBH: erna. Denna sfäroidala materialfördelning tillhandahöll en konstant källa av färsk, het, jungfrulig materia för att mata utskivningsskivan från olika vinklar. Tjocka skivor innebar större mängder materia vid lägre optisk densitet. Än en gång lyckades materien undvika att bli "solseglad" utåt från MBH: s trubbande och massa-energiomvandlingsförhållanden föll.
Båda faktorerna - fettskivor och joniserade atomer med låg massa - säger att under gyllene ålder i ett tidigt grönt universum växte MBH: er upp snabbt. Inom en miljard år efter Big Bang hade de bosatt sig i en relativt tyst mognad som effektivt konverterade materien till ljus och kastade det ljuset över stora räckvidden av tid och rum till ett potentiellt växande universum.
Skrivet av Jeff Barbour
