Jak stworzyć czarną dziurę z powietrza

Na ile sposobów można opuścić ten wszechświat?

Być może najsłynniejszy reżyser pociąga za sobą śmierć gwiazdy. W 1939 roku fizyk J. Robert Oppenheimer i jego student Hartland Snyder z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley odkryli, że kiedy dostatecznie masywnej gwieździe kończy się paliwo termojądrowe, zapada się do wewnątrz i zapada się w nieskończoność, kurcząc przestrzeń, czas i przestrzeń. Światło zamienia się w coś, co dziś nazywa się czarną dziurą.

Okazuje się jednak, że do powstania czarnej dziury może nie być potrzebna martwa gwiazda. Zamiast tego, przynajmniej we wczesnym wszechświecie, gigantyczne obłoki pierwotnego gazu mogły zapaść się bezpośrednio w czarne dziury, omijając miliony lat ich świetności.

Do takiego wstępnego wniosku doszła niedawno grupa astronomów badających UHZ-1, plamkę światła powstałą niedługo po Wielkim Wybuchu. W rzeczywistości UHZ-1 jest (lub był) potężnym kwazarem, który wystrzelił ogień i promieniowanie rentgenowskie z supermasywnej czarnej dziury 13,2 miliarda lat temu, kiedy Wszechświat nie miał nawet 500 milionów lat.

Z kosmologicznego punktu widzenia jest to niezwykle bliskie, ponieważ supermasywna czarna dziura może powstać w wyniku zapadania się i łączenia gwiazd. Priyamvada Natarajan, astronom z Uniwersytetu Yale i główny autor książki Artykuł opublikowany w czasopiśmie Astrophysical LettersOna i jej współpracownicy potwierdzają, że odkryli w UHZ-1 nowy typ ciał niebieskich, który nazywają galaktyką supermasywnej czarnej dziury (OBG). W swoim jądrze OBG to młoda galaktyka zakotwiczona w czarnej dziurze, która bardzo szybko stała się bardzo duża. .

Odkrycie tego wczesnego kwazara może pomóc astronomom w rozwiązaniu powiązanej zagadki, która nurtuje ich od dziesięcioleci. Wydaje się, że prawie każda widoczna galaktyka we współczesnym wszechświecie zawiera w swoim centrum supermasywną czarną dziurę o masie milionów lub miliardów mas Słońca. Skąd się wzięły te potwory? Czy zwykłe czarne dziury mogą rosnąć tak szybko?

Dr Natarajan i jej współpracownicy sugerują, że UHZ-1 i być może wiele supermasywnych czarnych dziur zaczęło się jako pierwotne obłoki. Obłoki te mogły zapaść się w ziarna, które były przedwcześnie ciężkie, wystarczające do zainicjowania wzrostu masywnych galaktyk czarnych dziur. To kolejne przypomnienie, że wszechświatem, który widzimy, rządzi niewidzialna geometria ciemności.

„Jako pierwszy kandydat na OBG, UHZ-1 dostarcza przekonujących dowodów na powstawanie ciężkich proto-nasion w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się we wczesnym Wszechświecie” – napisali dr Natarajan i jej współpracownicy. „Wygląda na to, że natura tworzy nasiona BH na wiele sposobów” – dodała w e-mailu – „nie tylko przez śmierć gwiazd!”

„Bria znalazła bardzo interesującą czarną dziurę, jeśli to prawda” – powiedział Daniel Holz, teoretyk z Uniwersytetu w Chicago, który bada czarne dziury.

Dodał: „To jest po prostu za duże i za wcześnie. To jakby zajrzeć do klasy w przedszkolu i wśród wszystkich pięciolatków jest jeden, który waży 50 funtów i/lub sześć stóp wzrostu.

Według historii, którą astronomowie opowiadają sobie o ewolucji Wszechświata, pierwszych gwiazd skondensowanych z obłoków wodoru i helu pozostałych po Wielkim Wybuchu. Płonęły gorąco i szybko, szybko eksplodując i zapadając się, tworząc czarne dziury o masie od 10 do 100 mas Słońca.

Przez eony z popiołów poprzednich gwiazd powstały kolejne generacje gwiazd, wzbogacając chemię wszechświata. Czarne dziury pozostałe po ich śmierci nadal łączyły się i w jakiś sposób rosły, tworząc supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk.

Aby przetestować ten pomysł, zaprojektowano Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, wystrzelony dwa lata temu w Boże Narodzenie. Ma największe lustro w kosmosie, mierzące 21 stóp średnicy. Co najważniejsze, został zaprojektowany do rejestrowania długości fal podczerwonych emitowanych przez światło najodleglejszych, a tym samym najstarszych gwiazd we wszechświecie.

Kiedy jednak nowy teleskop skierowano na niebo, udało mu się dostrzec nowe galaktyki tak masywne i jasne, że przerosły oczekiwania kosmologów. Przez ostatnie dwa lata toczyły się spory dotyczące tego, czy obserwacje te rzeczywiście zagrażają ugruntowanemu modelowi Wszechświata. Model opisuje wszechświat jako składający się ze śladów widzialnej materii, zdumiewających ilości „ciemnej materii”, która zapewnia grawitację spajającą galaktyki, oraz „ciemnej energii”, która odpycha te galaktyki.

Odkrycie UHZ-1 stanowi punkt zwrotny w tych dyskusjach. Aby przygotować się do przyszłych obserwacji masywnej gromady galaktyk w konstelacji Rzeźbiarza za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, zespół dr Natarajana poprosił o wizytę w Obserwatorium Rentgenowskim Chandra należącym do NASA. Masa gromady działa jak soczewka grawitacyjna, powiększając w czasie i przestrzeni obiekty znajdujące się za nią. Naukowcy mieli nadzieję uzyskać w promieniach rentgenowskich to, co widzi soczewka.

Odkryli kwazar zasilany przez supermasywną czarną dziurę o masie około 40 milionów mas Słońca. Dalsze obserwacje za pomocą Teleskopu Webba potwierdziły, że znajdowała się ona w odległości 13,2 miliarda lat świetlnych. (Gromada Rzeźbiarz znajduje się w odległości około 3,5 miliarda lat świetlnych.) Był to najdalszy i najstarszy kwazar, jaki kiedykolwiek odkryto we wszechświecie.

„Potrzebowaliśmy Webba, aby znaleźć tę niezwykle odległą galaktykę, a Chandry, aby znaleźć jej supermasywną czarną dziurę” – powiedział w komunikacie prasowym Akos Bogdan z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. „Wykorzystaliśmy także kosmiczne szkło powiększające, które zwiększyło ilość wykrytego przez nas światła”.

Wyniki wskazują, że supermasywne czarne dziury istniały 470 milionów lat po Wielkim Wybuchu. To za mało czasu, aby czarne dziury utworzone przez gwiazdy pierwszej generacji – o masach od 10 do 100 mas Słońca – urosły do ​​tak dużych rozmiarów.

Czy istniał inny sposób powstawania większych czarnych dziur? W 2017 roku dr Natarajan zasugerował, że zapadnięcie się pierwotnych obłoków gazu może spowodować powstanie czarnych dziur 10 000 razy masywniejszych od Słońca.

„Można zatem wyobrazić sobie, że jedna z nich później wyrośnie, tworząc małą, a na początku dużą czarną dziurę” – powiedział dr Holz. W rezultacie zauważył: „W każdym kolejnym momencie historii wszechświata zawsze będą pojawiać się zaskakująco duże czarne dziury”.

„Fakt, że obiekty te zaczynają od życia hipermasywnego, oznacza, że ​​prawdopodobnie ostatecznie wyewoluują w supermasywne czarne dziury” – powiedział dr Natarajan. Ale nikt nie wie, jak to działa. Czarne dziury stanowią 10% masy wczesnego kwazara UHZ-1, podczas gdy stanowią mniej niż jedną tysięczną masy współczesnych galaktyk, takich jak gigantyczna galaktyka Messier 87, której czarna dziura ma masę 6,5 masy. Miliard mas Słońca, gdy jego zdjęcie zostało wykonane przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń w 2019 roku.

Sugeruje to, że we wzroście i ewolucji tych galaktyk i ich czarnych dziur dominują skutki złożonych sprzężeń zwrotnych ze środowiska, powodując akumulację większej masy w gwiazdach i gazie.

„W rzeczywistości te bardzo wczesne OBG przekazują i naświetlają więcej informacji na temat fizyki nasion niż późniejszego wzrostu i rozwoju” – stwierdził dr Natarajan. „Chociaż ma to ważne implikacje” – dodała.

„Z pewnością byłoby wspaniale, gdyby okazało się, że tak właśnie się dzieje, ale tak naprawdę nie wiem” – powiedziała dr Holz. „To będzie fascynująca historia niezależnie od tego, w jaki sposób zostanie rozwiązana zagadka wczesnych dużych czarnych dziur” – dodał.