Återställ prestanda: en ny modell för födelsen av supermassiva svarta hål

Det Supertunga svarta hål — objekt som finns i hundratals miljoner eller även miljarder gånger tyngre än normala stjärnor, är kanske den mest mystiska objekt i modern astrofysik. De gömmer sig i hjärtat hos de flesta stora galaxer, inklusive vår vintergata. Med tanke på deras utbredning, dessa svarta hål kan spela en viktig roll i bildandet och utvecklingen av Universum. Men hur har de blivit så omfattande — denna fråga är fortfarande stör teoretiker hela världen.

Den Mest rimliga förslag är att dessa monster kunde växa så mycket, bara att absorbera stora mängder gas under miljarder år — idag motbevisade. Senaste observationer har visat att förekomsten av svarta hål, som var miljarder gånger tyngre än Solen redan 800 miljoner år efter Big Bang. Och återigen, hur de lägger på vikt så snabbt? Majoriteten av astrofysiker överens om att supertunga svarta hål som var tänkt att kläcka från en liten "frö" svart hål. Bara inte klart hur blygsam måste vara ett frö. En skola anser att ett frö svart hål måste vara stor — tusentals eller tiotusentals solmassor; den andra, att frön kan vara liten — inte mer än ett hundra solmassor.

Både läger måste göra något för att stävja det faktum att svarta hål är glupsk ätare. Gravitation kan dra gas rakt på sak, men runt det svarta hål som kommer att börja samla på ämne, som bildar en vit varm enhet som avger intensiv strålning och motbjudande inkommande gas, därmed minska utbudet av mat. Detta kallas Eddington gräns. Man tror att det på allvar minskar hastigheten som ett svart hål kan absorbera roll och växa. Fördelen med modeller med hjälp av små frön som är polusrednem svart hål är tillräckligt enkelt för att tillverka; nackdelen är att man för en snabb omvandling till supermassiva svarta hål, de har att kringgå Eddington gräns, att förlita sig på olika möjligt undantag för att kringgå sina begränsningar. Modeller med ett stort frö, tvärtom, iaktta de gränsvärden, som ger supermassiva svarta hål ett försprång, så att de kan äta så mycket gas som möjligt innan de når gränsen — men större frön är svårare att göra. En gigantiska moln av gas, som kan kollapsa med bildandet av stora frön kan också bryta upp den i små bitar, som bildar ett kluster av stjärnor, inte de stora svarta hål.

Oavsett om du är stor eller små frön "som hade en hel del teorier som försöker förklara förekomsten eller Montering av supermassiva svarta hål, men ingen av dem som erbjuds en naturlig lösning, säger Naoki Yoshida, en astrofysiker vid Universitetet i Tokyo. Yoshida är en anhängare av stora frön och en co-author av en artikel som publicerades förra veckan i tidskriften Science. I det berättade han för oss hur supermassiva svarta hål som bildas oväntat stor population av dessa i det unga Universum. Hans "naturliga beslut" innebär hög hastighet strömmar av gas som strömmar genom Universum efter Big Bang och fungerar som en viktig katalysator. I synnerhet om man förlitar sig på den förväntade interaktionen mellan Hamiltonianen och mörk materia — en mystisk osynlig substans, som tydligen fungerar som gravitationen lim av galaxer.

Växande svarta hålet

Tillsammans med kollegor vid University of Texas i Austin och University of tübingen i Tyskland Yoshida använt en dator simulering för att återskapa villkoren i det tidiga Universum, där kosmologiska parametrar, som tätheten av mörk materia som astronomerna har räknat, genom att mäta sammansättningen av det tidiga Universum.

"Vi har försökt att återskapa originalet så nära som möjligt till den verkliga observationer, säger Yoshida, "och gav Universum tid till utveckling".

Enligt simuleringarna, forskare, i vissa delar av Universum allvar av mörk materia kan fånga snabba strömmar av primära väte och helium som är kvar efter Big Bang. Senare forskare har funnit, att dessa gaser var spridda i vissa områden upp till wild hastigheter — det blev "fast vinden", säger Yoshida. "Du har att föreställa sig hur svårt det är att fånga den gas som rör sig för snabbt", säger Yoshida. Lägg din hand under fire hose — och vattnet omedelbart vinna henne. "Det enda sättet att stoppa denna starka vinden, tillämpar du en tillräckligt stark gravitation, säger han. Forskarna uppskattar att för varje tre miljarder ljusår bort i det tidiga Universum fanns det tillräckligt med mörk materia som gravitationen kunde fånga vinden om att skicka floden i omvänd. Denna attraktion mellan gas och mörk materia har skapat ett stort moln av gas och inte ge för att bilda små stjärnor på vägen.

Den Simulerade moln av gas sedan kollapsade i en massiv stjärna, som fortsatte att absorbera mer gas tills den nådde 34 000 solmassor. Denna synnerligen hypotetisk massiva star kunde nå ett sådant värde endast i fråga om den bestod av ren vätgas och helium — de två elementära gaser, som är inringade i det tidiga Universum innan de första stjärnorna blev supernovas, som senare kom den tunga grundämnen som kol, kväve, syre. Liknande idéer har framförts tidigare, men en fungerande modell presenterades för första gången.

"Vår dator modellering har visat att sådana fenomen görhända, och dessa stora stjärnorna verkligen kan bildas", säger Yoshida. Att skriva en jätte massa, stjärnan slutligen kollapsar och blir fröet till ett supermassivt svart hål. Yoshida anser att beslutet är slutgiltigt och naturliga. Men inte alla håller med honom.

Svaret är bra, men…

Andra forskare som helt stöder hypotesen med stora frön, annars ser de inledande bildandet av dessa frön. En nyligen publicerad studie i Naturen Astronomi, till exempel, tyder på att sådana frön är det inte bildas i processen av konstiga rörelser av mörk materia, utan snarare på grund av beteendet hos vanliga stjärnor i galaxer. Enligt detta scenario, kraftfulla utbrott av ultraviolett ljus i den snabba stjärnbildning i young galaxy nära kommer inte att störa bildandet av nya stjärnor i gigantiska moln av gas så att det kommer att förbli tomma tillräckligt länge för att till slut kollapsa till ett svart hål med en massa på upp till 100 000 solar.

John Weiss, astrofysiker Georgia Institute of Technology och forskarassistent i Astronomi Natur, anser att detta nya arbete kommer att vara ett viktigt steg framåt i detta område, eftersom Yoshida och hans kollegor första modellerade effekterna av rörelser av den första gasen för bildandet av supermassiva svarta hål. Men han säger att deras teori inte förneka sin egen.

"jag tror att det finns många sätt att bilda ett supermassivt svart hål, säger han. "Detta är bara en av dem, det är möjligt". Men, tillägger han, att för att hitta en så snabb-rörliga gaser i det tidiga Universum skulle vara svårt. Risken för att snubbla på sådana vindar i det tidiga Universum, enligt Yoshida, är i storleksordningen 0,3 procent. Men ett jätte moln av gas i anslutning till de unga fabriker av stjärnor, kommer att bli en raritet, vetenskapsmannen tror. "Jag vet inte, vad är sannolikheten för denna händelse, säger Yoshida.

Greg Bryan, Columbia University astrofysiker och huvudförfattare av arbete i Astronomi Natur, uppskattar de nya resultaten. "Detta är inte den slutliga lösningen, men det är bäst lämpad för just detta läge av bildandet av svarta hål", säger han. Det är också bekymrad över hur nära de simuleringar som till bildandet av små stjärnor. För att bilda ett svart hål, första gaser har samlats in på ett väldigt litet område, som inte skulle hända om de var trasiga i små kluster av stjärnor. Om lite för att ändra villkoren för simulering, en massiv frö bildas. "Å andra sidan, jag gillar deras modell, jag tror henne, säger Brian.

Fulvio Melia, en astrofysiker vid Arizona state University, är du inte nöjd med denna teori. "Författarna förlita sig på ett gäng okända fysik, liksom alla andra antaganden om bildandet av massiv frön eller den snabba tillväxten av sådana anläggningar", säger han. "De behöver för att göra specifika antaganden om beteenden av mörk materia, men vi vet inte ens vad det är."

utsäde

För att slutligen besvara frågan om hur dessa massiva djur, forskare peka på den framtida möjligheten av observation av dessa "frön" i det tidiga Universum med hjälp av teleskop av nästa generation. Ett sådant tillfälle snart. Redan har flera initiativ, såsom ESA: s uppdrag ATHENA, som är inställd att starta i 2028 och kommer att kunna fånga x-ray utsläpp av dessa supertunga jättar. Här-här kommer tjäna James Webb space telescope, som kommer att studera de första stjärnorna och galaxerna i Universum.

"det är Intressant att dessa idéer kan kontrolleras i ett par år, eftersom folk kommer att söka för dessa objekt över hela himlen, säger Melia.