Astronomer har hittat några extremt gamla supermassiva svarta hål, sådana som bildades när universum var ganska ungt. Men de var förbryllade över hur ett svart hål kunde växa till en sådan enorm storlek när universum självt bara var ett litet barn.
Astronomer har nu funnit att en unik uppsättning förhållanden fanns en halv miljard år efter Big Bang som gjorde att dessa monstersvarta hål kunde bildas. En ovanlig källa till intensiv strålning skapade vad som kallas 'svarta hål med direkt kollaps.'
'Det är ett kosmiskt mirakel', sa Volker Bromm från University of Texas i Austin, som arbetade med flera astronomer på fyndet. 'Det är den enda gången i universums historia när förhållandena är precis rätt för dem att bilda.'
Den konventionella förståelsen av hur svarta hål bildas kallas ackretionsteorin, där en extremt massiv stjärna kollapsar och svarta håls 'frön' byggs från kollapsen genom att dra in gas från sin omgivning och genom sammanslagningar av mindre svarta hål. Men den processen tar lång tid, mycket längre tid än den tid dessa snabbt bildade svarta hål fanns. Dessutom hade det tidiga universum inte de mängder gas och damm som behövdes för att supermassiva svarta hål skulle växa till sin gigantiska storlek.
De nya rönen tyder istället på att några av de första svarta hålen bildades direkt när ett gasmoln kollapsade och kringgick alla andra mellanfaser, såsom bildandet och efterföljande förstörelse av en massiv stjärna.
Denna konstnärs illustration visar ett möjligt 'frö' för bildandet av ett supermassivt svart hål, det vill säga ett föremål som innehåller miljoner eller till och med miljarder gånger solens massa. I konstnärens illustration visas gasmolnet som det blåa materialet, medan den orange och röda skivan visar material som leds mot det växande svarta hålet genom dess gravitationskraft. Kredit: Röntgen: NASA/CXC/Scuola Normale Superiore/Pacucci, F. et al, Optisk: NASA/STScI; Illustration: NASA/CXC/M.Weiss.
Naturligtvis, som alla svarta hål, kan dessa 'direkt 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 att materia spiralerar in i ett supermassivt svart hål, värms upp till miljontals grader, vilket skapar strålar som lyser som fyrar över universum. Men eftersom ackretionsteorin inte förklarar supermassiva svarta hål i extremt avlägsna - och därför unga - universum, kunde astronomer inte heller förklara kvasarerna. Detta har kallats 'problemet med kvasarfrö'.
'Kvasarerna som observerades i det tidiga universum liknar jättelika spädbarn i ett förlossningsrum fullt av normala spädbarn', säger Avi Loeb från Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, som arbetade med Bromm. 'Man undrar: vad är speciellt med miljön som fostrade dessa gigantiska bebisar? Vanligtvis konsumeras den kalla gasreservoaren i närliggande galaxer som Vintergatan mestadels av stjärnbildning.'
Men 2003 kom Bromm och Loeb på en teoretisk idé att få en tidig galax att bilda ett supermassivt frösvart hål genom att undertrycka den annars oöverkomliga energitillförseln från stjärnbildning. De kallade processen 'direkt kollaps'.
'Börja med ett 'urmoln av väte och helium, inträngt i ett hav av ultraviolett strålning,' sa Bromm. 'Du knastrar det här molnet i gravitationsfältet i en gloria av mörk materia. Normalt skulle molnet kunna svalna och splittras för att bilda stjärnor. De ultravioletta fotonerna håller dock gasen varm, vilket undertrycker all stjärnbildning. Dessa är de önskade, nästan mirakulösa förhållandena: kollapsa utan fragmentering! När gasen blir mer och mer kompakt har man så småningom förutsättningar för ett massivt svart hål.”
Denna uppsättning kosmiska förhållanden verkar bara ha existerat i det mycket tidiga universum, och denna process sker inte i galaxer idag.
För att testa sin teori började Bromm, Loeb och deras kollega Aaron Smith studera en galax som heter CR7, identifierad av en Hubble Space Telescope-undersökning som heter COSMOS som att den fanns mindre än 1 miljard år efter Big Bang.
David Sobral från universitetet i Lissabon hade gjort uppföljande observationer av CR7 med några av världens största markbaserade teleskop, inklusive Keck och VLT. Dessa avslöjade några extremt ovanliga egenskaper i ljussignaturen från CR7. Specifikt var Lyman-alpha-vätelinjen flera gånger ljusare än förväntat. Anmärkningsvärt nog visade spektrumet också en ovanligt ljus heliumlinje.
'Vad som än driver den här källan 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 en klunga av urstjärnor eller ett supermassivt svart hål troligtvis bildat av direkt kollaps.
Smith körde simuleringar för båda scenarierna och medan stjärnhopscenariot 'spektakulärt misslyckades', sa Smith, fungerade modellen för direkt kollaps av svarta hål bra.
Tidigare i år använde forskare också kombinerade data från Chandra X-ray Observatory, Hubble Space Telescope och Spitzer Space Telescope för att identifiera dessa möjliga svarta håls frön . De hittade två föremål, båda matchade den teoretiska profilen i infraröddata. ( läs deras tidning här. )
Det verkar som om astronomer 'konvergerar på den här modellen', sa Smith, för att lösa problemet med kvasarfrö och det tidiga svarta hålets gåta.
Håll ögonen öppna.
Bromm, Loeb och Smiths arbete publiceras i tidskriften Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society.
Källor:
RAS , Harvard-Smithsonian CfA, Pressmeddelande för NASA:s upptäckt av direkt kollapsade svarta hål tidigare i år.