SUPERMASSIVA SVARTA HåL ELLER DERAS GALAXER? VILKEN KOM FöRST?

Send

Det finns ett supermassivt svart hål i mitten av nästan varje galax i universum. Hur kom de dit? Vad är förhållandet mellan dessa monster-svarta hål och galaxerna som omger dem?

Varje gång astronomer tittar längre ut i universum upptäcker de nya mysterier. Dessa mysterier kräver alla nya verktyg och tekniker för att förstå. Dessa mysterier leder till fler mysterier. Det jag säger är att det är mysteriumsköldpaddor hela vägen ner.

En av de mest fascinerande är upptäckten av kvasarer, att förstå vad de är och avslöja ett ännu djupare mysterium, var kommer de ifrån?

Som alltid går jag framför mig själv, så först låt oss gå tillbaka och prata om upptäckten av kvasarer.

Redan på 1950-talet skannade astronomer himlen med radioteleskop och hittade en klass bisarra föremål i det avlägsna universum. De var väldigt ljusa och otroligt långt borta; hundratals miljoner eller till och med miljarder ljusår bort. De första upptäcktes i radiospektrumet, men över tid fann astronomer ännu mer glödande i det synliga spektrumet.

Astronomen Hong-Yee Chiu myntade uttrycket ”kvasar”, som stod för ett kvasstjärnigt objekt. De var som stjärnor, skiner från en enda punktkälla, men de var uppenbarligen inte stjärnor, flammande av mer strålning än en hel galax.

Under årtionden förbryllade astronomer kvasars natur och fick veta att de faktiskt var svarta hål, aktivt matade och sprängde ut strålning, synliga miljarder ljusår bort.

Men det var inte de svarta hålen i stjärnmassan, som var kända för att komma från gigantiska stjärners död. Dessa var supermassiva svarta hål, med miljoner eller till och med miljarder gånger solens massa.

Så långt tillbaka som på 1970-talet ansåg astronomer möjligheten att det kan finnas dessa supermassiva svarta hål i hjärtat av många andra galaxer, till och med Vintergatan.

1974 upptäckte astronomer en radiokälla i mitten av Vintergatan som avger strålning. Den fick titeln Skytten A *, med en asterisk som står för "spännande", ja, i "upphetsade atomer" -perspektivet.

Detta skulle matcha utsläppen från ett supermassivt svart hål som inte aktivt livnärde sig på material. Vår egen galax kunde ha varit en kvasar tidigare eller i framtiden, men just nu var det svarta hålet mestadels tyst, bortsett från denna subtila strålning.

Astronomer behövde vara säkra, så de utförde en detaljerad undersökning av mjölkvägens centrum i det infraröda spektrumet, vilket gjorde att de kunde se igenom gasen och dammet som döljer kärnan i synligt ljus.

De upptäckte en grupp stjärnor som kretsar kring Skyttens A-stjärna, som kometer som kretsar runt solen. Endast ett svart hål med miljontals gånger solens massa kunde ge den typen av tyngdkraftsankare för att piska dessa stjärnor i sådana bisarra banor.

Ytterligare undersökningar hittade ett supermassivt svart hål i hjärtat av Andromeda-galaxen. Det verkar som om dessa monster är i mitten av nästan varje galax i universum.

Men hur bildades de? Var kom de ifrån? Bildades galaxen först och fick det svarta hålet att bildas i mitten, eller bildades det svarta hålet och byggde upp en galax runt dem?

Fram till nyligen var detta faktiskt fortfarande ett av de stora olösta mysterierna inom astronomin. Som sagt, astronomer har gjort massor av forskning genom att använda mer och mer känsliga observatorier, utarbetat sina teorier, och nu samlar de bevis för att hjälpa till att komma till botten av detta mysterium.

Astronomer har utvecklat två modeller för hur universums storskaliga struktur samlades: topp ner och botten upp.

I top down-modellen bildades en hel galaktisk supercluster på en gång av ett enormt moln av primväte kvar från Big Bang. En supercluster värd stjärnor.

När molnet samlade det, snurrade det upp och sparkade ut mindre spiraler och dvärggalaxier. Dessa kunde ha kombinerats senare för att bilda den mer komplexa strukturen vi ser idag. De supermassiva svarta hålen skulle ha bildats som de täta kärnorna i dessa galaxer när de samlades.

Om du vill bryta dig runt detta kan du tänka på den stellar barnkammaren som bildade vår sol och ett gäng andra stjärnor. Föreställ dig ett enda moln av gas och damm som bildar flera stjärnsystem i det. Med tiden mogna stjärnorna och drev bort från varandra.

Det är ovanifrån. En stor händelse som leder till den struktur vi ser idag.

I bottom-up-modellen samlades fickor med gas och damm i större och större massor och bildar så småningom dvärggalaxier och till och med de kluster och superkluster som vi ser idag. De supermassiva svarta hålen i hjärtat av galaxerna odlades från kollisioner och sammanslagningar mellan svarta hål över eoner.

I själva verket är detta faktiskt hur astronomer tror att planeterna i solsystemet bildades. Genom att dammstycken lockar varandra in i större och större korn tills de stora planetobjekten bildades under miljoner år.

Nedifrån kommer små delar samman.

Kort efter Big Bang var hela universumet otroligt tätt. Men det var inte samma densitet överallt. Små kvantfluktuationer i densitet i början utvecklades över miljarder år av expansion till de galaktiska superkluster som vi ser idag.

Jag vill stoppa och låta detta sjunka in i din hjärna en sekund. Det fanns mikroskopiska variationer i densitet i det tidiga universum. Och dessa variationer blev strukturerna hundratals miljoner ljusår vi ser idag.

Föreställ dig de två krafterna som spelade när universumets utvidgning hände. Å ena sidan har du den inbördes tyngdkraften hos partiklarna som drar varandra ihop. Och å andra sidan har du utvidgningen av universum som separerar partiklarna från varandra. Storleken på galaxerna, klusteren och superklusteren bestämdes av balanspunkten för de motsatta krafterna.

Om små bitar samlades, så skulle du få den bottom-up-formationen. Om stora bitar samlades, skulle du få den toppformationen.

När astronomer tittar ut i universum på de största skalorna, observerar de kluster och superkluster så långt de kan se - vilket stöder top down-modellen.

Å andra sidan visar observationer att de första stjärnorna bildades bara några hundra miljoner år efter Big Bang, som stöder bottom up.

Så svaret är båda?

Nej, de mest moderna observationerna ger kanten till bottom up-processerna.

Nyckeln är att tyngdekraften rör sig med ljusets hastighet, vilket innebär att gravitationsinteraktioner mellan partiklar som sprider sig från varandra behövs för att komma i kontakt med ljusets hastighet.

Med andra ord, du skulle inte få ett superkluster värt material samman, bara en stjärns värde av material. Men dessa första stjärnor var gjorda av rent väte och helium och kunde växa mycket massivare än de stjärnor vi har idag. De skulle leva snabbt och dö i supernovaexplosioner och skapa mycket mer massiva svarta hål än vi får idag.

De första protogalaxerna samlades och samlade dessa första monster-svarta hål och de massiva stjärnorna som omger dem. Och sedan, över miljoner och miljarder år, slogs dessa svarta hål igen och igen och samlade miljoner och till och med miljarder gånger solens massa. Så här fick vi de moderna galaxerna vi ser idag.

Det fanns en ny observation som stöder denna slutsats. Tidigare i år tillkännagav astronomer upptäckten av supermassiva svarta hål i mitten av relativt små galaxer. I vår egen mjölkväg är det supermassiva svarta hålet 4,1 miljoner gånger solens massa, men står för endast 0,01% av galaxens totala massa.

Men astronomer från University of Utah fann två ultrakompakta galaxer med svarta hål på 4,4 miljoner respektive 5,8 miljoner gånger solens massa. Och ändå svarar de svarta hålen för 13 och 18 procent av massan av deras värdgalaxer.

Tänkandet är att dessa galaxer en gång var normala, men kolliderade med andra galaxer tidigare i universums historia, blev avskalade från sina stjärnor och spottades sedan ut för att vandra över kosmos.

De är offren för de tidiga sammanslagningen av händelserna, bevis på blodbadet som hände i det tidiga universum när sammanslagningarna ägde rum.

Vi pratar alltid om de olösta mysterierna i universum, men detta är astronomer som börjar pussla ut.

Det verkar mest troligt att universumets struktur vi ser idag bildas nerifrån. De första stjärnorna samlades i protogalaxier och dör som supernova för att bilda de första svarta hålen. Strukturen för universum som vi ser idag är slutresultatet av miljarder år av bildande och förstörelse. Med de supermassiva svarta hålen som kommer över tiden.

När teleskop som James Webb börjar fungera, borde vi kunna se dessa bitar samlas, precis i utkanten av det observerbara universum.