Czarne dziury istniejące we wczesnym wszechświecie stanowią pewien problem. W oparciu o obserwacje za pomocą teleskopów naziemnych i kosmicznych wiemy, że niektóre czarne dziury osiągnęły masę miliarda mas słońca w ciągu zaledwie jednego miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Nasze obecne modele wzrostu czarnych dziur nie potrafią wyjaśnić tak ogromnej prędkości wzrostu. Skąd zatem wzięły się te supermasywne czarne dziury?
To problem, który prześladuje astronomów już od dawna. Nasza obecna wiedza wskazuje, że w tak krótkim czasie mogły co najwyżej powstać tak zwane czarne dziury o masie pośredniej rzędu 100 000 mas słońca. I choć naukowcy zaproponowali już kilka teorii gwałtownego wzrostu masy czarnych dziur, to odpowiedzi wciąż nie widać na horyzoncie
„To wciąż potężny problem w astrofizyce” mówi dr John Regan, astrofizyk z Dublin City University w Irlandii.
Czarne dziury powstają gdy masywna gwiazda wyczerpie zapasy swojego paliwa, co czasami prowadzi do eksplozji supernowych, a czasami do bezpośredniego kolapsu. Gdy gwiazda nie ma już paliwa do spalania, nie jest w stanie utrzymać swojej masy i zapada się na siebie. Jeżeli masa gwiazdy była wystarczająco wysoka, gwiazda zapadnie się w obiekt o niesamowitym przyciąganiu grawitacyjnym, z którego nic, nawet światło, nie będzie w stanie uciec – w tak zwaną czarną dziurę.
Gdy czarna dziura stopniowo przyciąga coraz więcej otaczającego ją pyłu i gazu, zwiększa swoje rozmiary, z czasem osiągając gigantyczne rozmiary supermasywnej czarnej dziury, takiej jak chociażby czarna dziura, której obraz naukowcy pokazali w kwietniu 2019 roku. Naukowcy aktualnie badają czy supermasywne czarne dziury mogły powstać z supermasywnych gwiazd, które zapadły się w duże zalążki czarnych dziur.
Dr Regan koordynował prace nad projektem SmartStars, który wykorzystuje jeden z najsilniejszych superkomputerów w Irlandii, ICHEC, do stworzenia modelu opisującego jak superolbrzymie gwiazdy mogły stanowić początek supermasywnych czarnych dziur. Zespół chciał sprawdzić czy mogą one odpowiadać za gwałtowny wzrost supermasywnych czarnych dziur, które obserwujemy w centrum niemal każdej galaktyki.
Badacze odkryli, że takie gwiazdy mogły osiągnąć masę nawet 250 000 mas Słońca w ciągu 200 milionów po Wielkim Wybuchu – to kuszący wynik. Niemniej jednak nawet superkomputery mają swoje ograniczenia. Badacze byli w stanie tworzyć model przyszłości takich gwiazd na jeden milion lat do przodu, a modelowanie wymaga przeanalizowania 800 milionów lat, aby można było sprawdzić, czy takie gwiazdy mogą stanowić zalążek supermasywnych czarnych dziur.
„To doskonały pierwszy krok” mówi dr Regan. „Z każdą kolejną generacją superkomputerów, będziemy w stanie tworzyć coraz rozleglejsze symulacje”.
Inne teorie opisujące tak gwałtowny wzrost tych czarnych dziur, mówią, że niewielka część czarnych dziur rosła w ogromnym tempie lub mniejsze czarne dziury łączyły się ze sobą w supermasywne czarne dziury.
Dr Muhammad Latif, astrofizyk z Uniwersytetu w Abu Dhabi w Zjednoczonych Emiratach Arabskich zgadza się z dr Reganem, że model supermasywnej gwiazdy pozostaje w tej chwili naszym najlepszym rozwiązaniem. Dr Latif był głównym badaczem w projekcie FIRSTBHs, który tak jak SmartStars, badał za pomocą symulacji prowadzonych na superkomputerze we Francji czy model supermasywnej gwiazdy jest prawdopodobny.
Jego projekt, który realizowano w CNRS we Francji, wykazał, że supermasywne gwiazdy mogą odpowiadać za zalążki czarnych dziur o masie setek tysięcy większej od masy słońca. „Stwierdziliśmy, że jest to całkiem przekonujący scenariusz” mówi dr Latif tłumacząc, że te początkowe zalążki czarnych dziur są wystarczająco duże, aby doprowadzić do powstania supermasywnych czarnych dziur o masie miliarda mas słońca w stosunkowo krótkim czasie.
Niemniej jednak, aby takie czarne dziury powstały, warunki we wczesnym wszechświecie musiałyby być idealne. Ogromne ilości materii zbudowanej z wodoru i helu są niezbędne do powstania wystarczająco masywnych zalążków czarnych dziur, z których powstaną supermasywne czarne dziury.
Inne niewyjaśnione czynniki sprawiają, że nadal jest to kwestia otwarta. Zalążki czarnych dziur musiałyby pożerać materię w tempie co najmniej 0,1 masy Słońca rocznie, a jak na razie nie wiadomo czy jest to w ogóle możliwe.
Kilka obserwatoriów pozwala nam już dość dokładnie badać czarne dziury we wczesnym wszechświecie. W październiku 2019 roku astronomowie ogłosili, że za pomocą obserwatorium ALMA w Chile udało się odkryć gęsty pierścień pyłu i gazu otaczający supermasywną czarną dziurę w odległej galaktyce. Zważając na dwa strumienie gazu rotujące w przeciwnych kierunkach, można zakładać, że pierścień jest w stanie dostarczyć supermasywnej czarnej dziurze wystarczającą ilość materii do gwałtownego wzrostu.
Wcześniej, w sierpniu 2019 roku, Obserwatorium Rentgenowskie Chandra dostrzegła tak zwaną „przesłoniętą” czarną dziurę, bardzo szybko rosnącą w czasach gdy wszechświat miał zaledwie 6% swojego obecnego wieku. Gęsty obłok gazu skrywa czarną dziurę i kwazar, jasny obszar otaczającej ją superrozgrzanej materii. Mimo to, Chandra było w stanie dostrzec ją w zakresie rentgenowskim.
Niemniej jednak, przyszłe teleskopy będą niezbędne do bardziej szczegółowego badania gwałtownego wzrostu supermasywnych czarnych dziur. Choć jesteśmy w stanie przewidzieć istnienie zalążków czarnych dziur, nie jesteśmy w stanie ich dostrzec. Nadchodzący Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), który wystartuje w 2021 roku może być w stanie dostrzec niektóre nieodkryte zalążki czarnych dziur.
Teleskop ATHENA (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics), który wystartuje w 2031 roku powinien pozwolić nam lepiej zrozumieć powstawanie supermasywnych czarnych dziur.
„Wszyscy mają nadzieję, że dzięki misji ATHENA uzyskamy znacznie lepsze dane” mówi dr Latif. Być może wkrótce będziemy wiedzieli jak te olbrzymie obiekty tak szybko urosły?”
„To tak jakby wejść do przedszkola i zobaczyć dziecko o wzroście 180 cm” dodaje dr Latif.
Źródło: Horizon; The EU Research & Innovation Magazine