Vad matade tidiga svarta hål som möjliggjorde deras mycket snabba tillväxt? En ny upptäckt gjord av forskare vid Carnegie Mellon University med hjälp av en kombination av superdator-simuleringar och GigaPan Time Machine-teknik visar att en diet med kosmisk ”snabbmat” (tunna strömmar av kall gas) flödade okontrollerat in i mitten av de första svarta hålen och orsakade dem för att bli ”överdimensionerade” och växa snabbare än något annat i universum.
När vårt universum var ungt, mindre än en miljard år efter Big Bang, började galaxer formas och växa. Enligt tidigare teorier borde svarta hål vid den tiden ha varit lika små. Data från Sloan Digital Sky Survey har visat bevis på motsatsen - supermassiva svarta hål fanns redan så tidigt som 700 miljoner år efter Big Bang.
”Sloan Digital Sky Survey fann supermassiva svarta hål på mindre än 1 miljard år. De var i samma storlek som dagens mest massiva svarta hål, som är 13,6 miljarder år gamla, säger Tiziana Di Matteo, docent i fysik (Carnegie Mellon University). ”Det var ett pussel. Varför bildas vissa svarta hål så tidigt när det tar hela universitetens ålder för andra att nå samma massa? ”
Supermassiva svarta hål är de största svarta hålen som finns - som väger in med massor miljarder gånger så mycket som solen. De flesta "normala" svarta hål är bara cirka 30 gånger massivare än solen. Den för närvarande accepterade mekanismen för bildning av supermassiva svarta hål är genom galaktiska sammanslagningar. Ett problem med denna teori och hur det gäller tidiga supermassiva svarta hål är att det i tidiga universum inte fanns många galaxer, och de var för långt ifrån varandra för att slå samman.
Rupert Croft, docent i fysik (Carnegie Mellon University) påpekade, "Om du skriver ekvationerna för hur galaxer och svarta hål bildas, verkar det inte möjligt att dessa enorma massor kan bilda så tidigt, men vi ser till himlen och där är dem."
I ett försök att förstå processerna som bildade de tidiga supermassiva svarta hålen skapade Di Matteo, Croft och Khandai MassiveBlack - den hittills största kosmologiska simuleringen. Syftet med MassiveBlack är att exakt simulera de första miljarder åren av vårt universum. Di Matteo, som beskriver MassiveBlack, påpekade: ”Den här simuleringen är verkligen gigantisk. Det är den största när det gäller fysiknivån och den faktiska volymen. Vi gjorde det eftersom vi var intresserade av att titta på sällsynta saker i universum, som de första svarta hålen. Eftersom de är så sällsynta måste du söka över en stor volym utrymme ”.
Croft och teamet startade simuleringarna med hjälp av kända modeller för kosmologi baserat på teorier och lagar i dagens fysik. "Vi satte inte något galen i. Det finns ingen magisk fysik, inga extra grejer. Det är samma fysik som bildar galaxer i simuleringar av det senare universum, ”sade Croft. ”Men magiskt sett dyker dessa tidiga kvasarer, precis som observerats. Vi visste inte att de skulle dyka upp. Det var fantastiskt att mäta deras massor och gå "Wow! Dessa är exakt rätt storlek och dyker upp exakt vid rätt tidpunkt. "Det är en framgångshistoria för den moderna teorin om kosmologi."
Uppgifterna från MassiveBlack lades till GigaPan Time Machine-projektet. Genom att kombinera MassiveBlack-data med GigaPan Time Machine-projektet kunde forskare se simuleringen som om det var en film - enkelt panorera över det simulerade universum när det bildades. När teamet märkte händelser som verkade intressanta, kunde de också zooma in för att se händelserna mer detaljerat än vad de kunde se i vårt eget universum med mark- eller rymdbaserade teleskop.
När teamet zooma in på skapandet av de första supermassiva svarta hålen såg de något oväntat. Normala observationer visar att när kall gas flyter mot ett svart hål värms det från kollisioner med andra närliggande gasmolekyler, och sedan svalnar det innan det går in i det svarta hålet. Känd som "chockuppvärmning" borde processen ha stoppat tidiga svarta hål från att nå de observerade massorna. Istället observerade teamet tunna strömmar av kall tät gas som flödade längs "filament" sett i storskaliga undersökningar som avslöjar strukturen i vårt universum. Filamenten tillät gasen att rinna direkt in i mitten av de svarta hålen med otrolig hastighet, vilket gav dem kall, snabbmat. Den ständiga, men okontrollerade förbrukningen gav en mekanism för att de svarta hålen skulle växa mycket snabbare än deras värdgalaxier.
Resultaten kommer att publiceras i Astrophysical Journal Letters.
Om du vill läsa mer, kolla in tidningarna nedan (via Physics arXiv):
Terapixel avbildning av kosmologiska simuleringar
Bildandet av galaxer värd z ~ 6 kvasarer
Tidiga svarta hål i kosmologiska simuleringar
Kylflöden och de första kvasarerna
Läs mer om Gigapan och MassiveBlack på: http://gigapan.org/gigapans/76215/ och http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Källa: Carnegie Mellon University Pressmeddelande
