Astronomer har hittat några extremt gamla supermassiva svarta hål, de som bildades när universum var ganska ung. Men de förundrade sig över hur ett svart hål kunde växa till en så enorm storlek när universum i sig bara var ett litet barn.
Astronomer har nu funnit att en unik uppsättning förhållanden var närvarande en halv miljard miljarder år efter Big Bang som gjorde det möjligt för dessa svarta hål att bildas. En ovanlig källa till intensiv strålning skapade vad som kallas "direkta kollaps svarta hål."
"Det är ett kosmiskt mirakel," sade Volker Bromm från University of Texas i Austin, som arbetade med flera astronomer för att hitta. "Det är den enda gången i universums historia när förhållandena är rätt för dem att bildas."
Den konventionella förståelsen för hur svarta hål bildas kallas ackretionsteorin, där en extremt massiv stjärna kollapsar och "frö" av svarthål byggs från kollapsen genom att dra in gas från omgivningen och genom sammanslagningar av mindre svarta hål. Men den processen tar lång tid, mycket längre än den tid som dessa snabbt bildande svarta hål fanns runt. Dessutom hade det tidiga universum inte de mängder gas och damm som behövdes för supermassiva svarta hål för att växa till sin gigantiska storlek.
De nya fynden antyder istället att några av de första svarta hålen bildades direkt när ett gasmoln kollapsade och kringgå alla andra mellanfaser, såsom bildandet och efterföljande förstörelse av en massiv stjärna.
Naturligtvis, som alla svarta hål, kan dessa "direkta kollaps" svarta hål inte ses. Men det fanns starka bevis för deras existens, eftersom de behövs för att driva de mycket lysande kvasarerna som upptäckts i det unga universum. En kvasars stora ljusstyrka kommer från materia som spiraliseras in i ett supermassivt svart hål, värmer upp till miljoner grader och skapar strålar som lyser som fyrvärldar över hela universum. Men eftersom accretionsteorin inte förklarar supermassiva svarta hål i extremt avlägsna - och därför unga - universum, kunde astronomer inte heller förklara kvasarna. Detta har kallats "kvasarfröproblemet."
"Kvasarerna som observerades i det tidiga universum liknar jättebarn i ett förlossningsrum fullt av vanliga spädbarn," sade Avi Loeb från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, som arbetade med Bromm. ”Man undrar: vad är speciellt med miljön som vårdade dessa jättebarn? Vanligtvis konsumeras den kalla gasbehållaren i närliggande galaxer som Vintergatan mest av stjärnbildningen. ”
Men 2003 kom Bromm och Loeb med en teoretisk idé att få en tidig galax för att bilda ett supermassivt frö svart hål, genom att undertrycka det annars oöverkomliga energitillskottet från stjärnbildningen. De kallade processen "direkt kollaps."
"Börja med ett" primordialt moln av väte och helium, kvävt i ett hav av ultraviolett strålning, "sade Bromm. ”Du knasar det här molnet i gravitationsfältet i en mörkämne-glorie. Normalt skulle molnet kunna svalna och fragmentera för att bilda stjärnor. Emellertid håller de ultravioletta fotonerna gasen varm, vilket undertrycker all stjärnbildning. Dessa är de önskade, nästan mirakulösa förhållandena: kollaps utan fragmentering! När gasen blir mer och mer kompakt har du så småningom förutsättningarna för ett massivt svart hål. ”
Denna uppsättning kosmiska förhållanden tycks ha funnits i det mycket tidiga universum, och denna process sker inte i galaxer idag.
För att testa deras teori började Bromm, Loeb och deras kollega Aaron Smith studera en galax som kallas CR7, identifierad med en Hubble Space Telescope-undersökning som kallas COSMOS som omkring 1 miljard miljarder efter Big Bang.
David Sobral från Lissabonuniversitetet hade gjort uppföljningsobservationer av CR7 med några av världens största markbaserade teleskop, inklusive Keck och VLT. Dessa avslöjade några extremt ovanliga funktioner i den ljusa signaturen från CR7. Specifikt var Lyman-alpha-vätelinjen flera gånger ljusare än väntat. Anmärkningsvärt visade spektrumet också en ovanligt ljus heliumlinje.
"Vad som än driver denna källa är väldigt varmt - tillräckligt varmt för att jonisera helium," sa Smith, cirka 100 000 grader Celsius.
Dessa och andra ovanliga särdrag i spektrumet innebar att det antingen kunde vara ett kluster av eldstjärnor eller ett supermassivt svart hål som troligen bildades genom direkt kollaps.
Smith körde simuleringar för båda scenarierna och medan stjärnklustrscenariot "spektakulärt misslyckades", sade Smith, fungerade modellen för direkt kollaps i svart hål bra.
Tidigare i år använde forskare kombinerade data från Chandra röntgenobservatorium, Hubble rymdteleskop och Spitzer rymdteleskop för att identifiera dessa möjliga svarthålfrön. De hittade två objekt, båda dessa matchade den teoretiska profilen i den infraröda datan. (läs deras uppsats här.)
Det verkar som att astronomer "konvergerar på den här modellen", sade Smith, för att lösa problemet med kvasarfröet och det tidiga svarthålets förbund.
Håll dig uppdaterad.
Bromm, Loeb och Smiths arbete publiceras i tidskriften Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
källor:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, pressmeddelande för NASAs upptäckt av svarta hål i direkt kollaps tidigare i år.
