Super-Massive Black Holes (SMBH) är svåra att förklara. Dessa gigantiska singulariteter tros vara i mitten av varje stor galax (vår Vintergatan har en) men deras närvaro där trotsar ibland lätt förklaring. Så vitt vi vet, bildas svarta hål när jätte- stjärnor kollapsar. Men den förklaringen passar inte alla bevis.
Stjärna-kollapsteorin gör ett bra jobb med att förklara de flesta svarta hål. I den teorin börjar en stjärna som är minst fem gånger mer massiv än vår sol börjar slut på bränsle nära slutet av sitt liv. Eftersom det yttre trycket från en stjärns kärnfusion är det som stöder den mot den inre tyngdkraften från sin egen massa, måste något ge när bränslet tar slut.
Stjärnan genomgår en hypernovaexplosion och kollapsar sedan in på sig själv. Det som finns kvar är ett svart hål. Astrofysiker tror att SMBH: er börjar på det här sättet och växer till sina enorma storlekar genom att i huvudsak "mata" på andra ämnen. De svullnar i storlek och sitter i mitten av sin tyngdkraft, liksom en spindel som gödas upp i mitten av banan.
Problemet med den förklaringen är att det tar lång tid att hända.
Där ute i universum har forskare observerat SMBH som är gamla. I mars i år tillkännagav en grupp astronomer upptäckten av 83 SMBH som är så gamla att de trotsade vår förståelse. Under 2017 upptäckte astronomer ett 800 miljoner solmassasvarthål som fullständigt bildades endast 690 miljoner år efter Big Bang. De kom till i de tidigare dagarna av universum, innan det fanns tid att växa till sina supermassiva former.
Många av dessa SMBH är miljarder gånger massivare än solen. De är på så höga rödskift att de måste ha bildats under de första 800 miljoner åren efter Big Bang. Men det är inte tillräckligt med tid för den stellar-kollaps-modellen för att förklara dem. Frågan som astrofysiker står inför är hur blev de svarta hålen så stora på så lite tid?
Ett par forskare vid Western University i Ontario, Kanada, tror att de har förstått det. De har en ny teori som kallas 'direkt kollaps' som förklarar dessa otroligt gamla SMBH.
Deras papper heter "Massfunktionen av supermassiva svarta hål i scenariot med direkt kollaps" och publiceras i The Astrophysical Journal Letters. Författarna är Shantanu Basu och Arpan Das. Basu är en erkänd expert i de tidiga stadierna av stjärnbildningen och protoplanetärisk evolution. Han är också astronomiprofessor vid Western University. Das kommer också från Western's Department of Physics and Astronomy.
Deras direkta kollapsteori säger att de gamla supermassiva svarta hålen bildades extremt snabbt under mycket korta tidsperioder. Sedan slutade de plötsligt växa. De utvecklade en ny matematisk modell för att förklara dessa snabbt bildande, forntida svarta hål. De säger att Eddington-gränsen, som är en balans mellan en stjärns utstrålande kraft och den inre tyngdkraften, spelar en roll.
I dessa svarta hål med direkt kollaps reglerar Eddington Limit masstillväxten, och forskarna säger att dessa gamla svarta hål till och med kan överskrida den gränsen med en liten mängd, i det de kallar super-Eddington tillträde. Sedan, på grund av strålning producerad av andra stjärnor och svarta hål, stoppades deras produktion.
"Supermassiva svarta hål hade bara en kort tidsperiod där de kunde växa snabbt och sedan någon gång, på grund av all strålning i universum som skapats av andra svarta hål och stjärnor, stoppades deras produktion," förklarar Basu i ett pressmeddelande. "Det är scenariot med direkt kollaps."
"Detta är indirekt observationsbevis för att svarta hål härstammar från direkt kollaps och inte från stjärnrester," sade Basu.
Denna nya teori ger en effektiv förklaring till vad som har varit en taggig fråga inom astronomi under en längre tid. Basu tror att dessa nya resultat kan användas med framtida observationer för att dra slutsatsen från de extremt massiva svarta hålen som finns vid mycket tidiga tider i vårt universum.
Källor:
- Pressmeddelande: Forskare lyser på svart hålets ursprung
- Forskningsdokument: Massfunktionen av supermassiva svarta hål i scenariot med direkt kollaps
- Space Magazine: För stor, för snart. Monster Black Hole Sett kort efter Big Bang
- Princeton University: Astronomer upptäcker 83 supermassiva svarta hål i det tidiga universum
- Wikipedia: Eddington Luminosity (Limit)
