En av de mest angelägna frågorna inom astronomi rör svarta hål. Vi vet att massiva stjärnor som exploderar som supernovor kan lämna stjärnmassorna svarta hål som rester. Och astrofysiker förstår den processen. Men hur är det med de supermassiva svarta hålen (SMBH) som Sagittarius A-star (Sgr A*,) i hjärtat av Vintergatan?
SMBH kan ha en miljard solmassor. Hur blir de så stora?
En grupp forskare vid Harvard Center for Astrophysics försöker belysa den frågan. De har skapat en simulering som en del av Black Hole Initiative (BHI), en tvärvetenskaplig ansträngning vid Harvard för att främja förståelsen av svarta hål.
Nyckelfrågan är hur växer svarta hål? Är det genom ackretion eller sammanslagningar? Det ser ut som att svaret är 'Båda. Ungefär.'
'Svarta hål kan växa på två sätt.'
Dr Fabio Pacucci, Harvard Center for Astrophysics
Ett par forskare har utvecklat en ny teoretisk modell för att svara på frågan om svarta hål. De är Dr Avi Loeb, professor vid Harvard, och Dr Fabio Pacucci, astrofysiker CfA. Båda är involverade i BHI. Deras modell täcker lokaluniversum upp till rödförskjutning 10, eller ungefär från idag till cirka 13 miljarder år sedan.
Enligt deras simulering dominerar två faktorer tillväxten av svarta hål: deras massa och deras rödförskjutning .
Den nya simuleringen visar att nära oss växer små svarta hål mestadels genom ackretion, medan stora svarta hål växer genom sammanslagningar. Men i det avlägsna universum är det omvända: små svarta hål växer genom sammanslagningar, medan stora växer genom ackretion.
En ny simulering av svarta håls tillväxt visar de olika sätten att de växer i olika scenarier. I det närliggande universum växer små svarta hål genom ackretion, medan stora växer genom sammanslagningar. I det avlägsna universum är det omvända: små växer genom sammanslagningar, medan stora växer genom accretion. Bildkredit: Kredit: M. Weiss
I en pressmeddelande , förklarade Pacucci det så här: 'Svarta hål kan växa på två sätt. De kan samla ihop massa från utrymmet runt dem eller så kan de smälta samman med varandra och bilda ett mer massivt svart hål, säger Pacucci. 'Vi tror för närvarande att de första svarta hålen började bildas ungefär med den första populationen av stjärnor, för över 13,5 miljarder år sedan.'
'Att förstå hur svarta hål bildades, växte och samutvecklades med galaxer är grundläggande för vår förståelse och kunskap om universum, och med den här studien har vi ytterligare en pusselbit.'
Dr Fabio Pacucci, Harvard Center for Astrophysics
Men det är bara början på svaret. Det finns mer i det.
Det här svaret förklarar inte i detalj hur vi kommer från dessa mindre 'frö' svarta hål till de massiva monstrositeterna i hjärtat av de flesta - eller alla - galaxer: supermassiva svarta hål.
Pacucci har mer att säga: 'Vi kan begränsa deras historia inte bara genom att upptäcka ljus utan också genom gravitationsvågor, de krusningar i rymdtiden som deras sammanslagningar producerar.'
Ett svart hål är inget att nysa åt. När två av dessa monster smälter samman skickar de ut gravitationsvågor, långa teoretiserade krökningar i rymdtiden som slutligen upptäcktes fyra år sedan .
Pacucci och Loebs arbete vilar också på tidigare studier av svarta hål, som visar att svarta hål som växer genom ackretion är ljusare än de som växer genom sammanslagningar. Det beror på att när de ansamlar materia, roterar materia runt hålet i en ansamlingsskiva. Det värmer upp materialet, vilket gör att det avger strålning.
Illustration av det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan, omgivet av dess roterande ackretionsskiva. Kredit: NRAO/AUI/NSF
'Eftersom rotationshastigheten, eller spinn, i grunden påverkar hur regionen runt ett svart hål lyser, hjälper studier av de huvudsakliga tillväxtmetoderna för svarta hål att ge oss en tydligare bild av hur ljusa dessa källor kan vara. Vi vet redan att materia faller mot svarta håls händelsehorisont och när den ökar snabbare värms den också upp, och den här gasen börjar avge strålning, säger Pacucci.
'Ju mer materia ett svart hål ansamlas, desto ljusare kommer det att bli; det är därför vi kan observera föremål som är långt borta, som supermassiva svarta hål, fortsatte Pacucci. 'De är en miljard gånger mer massiva än solen, och de kan sända ut enorma mängder strålning så att vi kan observera dem på till och med miljarder ljusårs avstånd.'
Men även om det svarta hålet är i ett område som är svalt av materia som kan mata dess ackretionsskiva, kan det fortfarande växa genom galaxsammanslagningar. Istället för ökad ljusstyrka orsakar sammanslagningar av svarta hål graviationsvågor.
En annan central fråga när det kommer till svarta hål rör SMBH i galaxernas centrum. 'Vi tror att varje galax innehåller ett massivt svart hål i mitten, som reglerar bildandet av stjärnor i deras värd,' sa Pacucci. 'Att förstå hur svarta hål bildades, växte och samutvecklades med galaxer är grundläggande för vår förståelse och kunskap om universum, och med den här studien har vi ytterligare en pusselbit.'
Konstnärens intryck av att slå samman binära svarta hål. I februari 2016 upptäckte LIGO gravitationsvågor för första gången. Som den här konstnärens illustration visar skapades gravitationsvågorna genom att slå samman svarta hål. Den tredje upptäckten som just meddelats skapades också när två svarta hål slogs samman. Kredit: LIGO/A. Simonnet.
Det är lätt att vara skeptisk till modeller och vad deras värde är. Men vetenskaplig modellering är avgörande för planering. I det här fallet ger det ett teoretiskt ramverk som kan undersökas ytterligare, och ger också en viss vägledning om hur man kan observera saker i framtiden. Och denna modell har redan testats delvis, med bra resultat.
'Vi har redan testat vår modell med data från närliggande svarta hål och erhållit mycket uppmuntrande resultat', säger Pacucci. 'Vårt mål i den här studien var att förse forskarsamhället med en teori som beskriver hur svarta hål kan ha växt under universums utveckling. Detta kommer att informera beslut om observationsstrategier med framtida rymdteleskop, samt lägga grunden för modeller som beskriver andra aspekter av universums utveckling.'
Ett av dessa framtida rymdteleskop är LISA—the Laser Interferometer rymdantenn . LISA är ett uppdrag från Europeiska rymdorganisationen (ESA) designat för att upptäcka och mäta gravitationsvågor. LISA kommer att vara ett tre-rymdfarkostsystem som bildar en triangel, med varje sida 2,5 miljoner km (1,55 miljoner miles) lång. Avståndet mellan de tre kommer att kontrolleras exakt. Alla gravitationsvågor skulle detekteras av lasrarna som bildar triangelns sidor.
En illustration av ESA:s rymdfarkost LISA, designad för att upptäcka gravitationsvågor från sammanslagningar av svarta hål och andra händelser. Bildkredit: Av NASA – NASA, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10372273
Framtiden är ljus när det gäller svarta hål. Forskare upptäcker fler och fler sammanslagningar. De Event Horizon Telescope tog nyligen en bild för första gången. Så småningom kommer vi att få en bättre förståelse för vilken roll SMBH spelar i stjärnbildning i deras galaxer. Vi kan också komma till en bättre förståelse för hur de smälter samman och hur de växer till att bli så massiva.
Även Loeb är optimistisk inför framtiden. 'Vi hittar förvånansvärt stora 'bebisar' i de kosmiska dagis med svarta hål, men under de kommande decennierna kommer vi att ta reda på vilka deras föräldrar var.'