Czarne dziury i początki wszechświata. Naukowcy są bliscy rozwiązania kosmicznej zagadki

Wszechświat nie miał nawet miliarda lat, gdy zdążyły się w nim pojawić czarne dziury o masach ponad miliard razy większych od masy Słońca. Ich obecność okazuje się na tyle zagadkowa, że stanowiła twardy orzech do zgryzienia dla astrofizyków.
Czarne dziury i początki wszechświata. Naukowcy są bliscy rozwiązania kosmicznej zagadki

Wśród kluczowych pytań dotyczących tego fenomenu wymienia się przede wszystkim te o możliwość powstania supermasywnych czarnych dziur stosunkowo niedługo po Wielkim Wybuchu oraz okoliczności, które doprowadziły do błyskawicznego zwiększenia rozmiarów tych obiektów. Próby wyjaśnienia tych kwestii podjęli się naukowcy pod zarządem Muhammada Latifa z Uniwersytetu Zjednoczonych Emiratów Arabskich, którzy przedstawili swoje ustalenia na łamach Nature.

Supermasywne czarne dziury miały się pojawić zaskakująco wcześnie w historii wszechświata

Supermasywne czarne dziury obserwujemy dziś w centrach większości masywnych galaktyk, których masa może być miliony lub miliardy razy większa od masy Słońca. Ale już w 2003 roku zaczęliśmy znajdować kwazary – silnie świecące, aktywnie tworzące się supermasywne czarne dziury, które są jak kosmiczne latarnie morskie we wczesnym wszechświecie – które istniały mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu.

Daniel Whalen, University of Portsmouth

Jak w ogóle miałyby powstawać te obiekty? W świecie nauki dominują dwie główne teorie. W myśl pierwszej najpierw dochodzi do śmierci masywnej gwiazdy, która w konsekwencji prowadzi do powstania czarnej dziury o masie około 100-krotnie większej od masy Słońca. Z czasem zaczyna ona pochłaniać na tyle dużo materii, by stopniowo powiększać swoje gabaryty, osiągając w pewnym momencie masę miliony a nawet miliardy razy większą od masy naszej gwiazdy. Alternatywny scenariusz wskazuje natomiast na udział czarnych dziur, które już od początku są niezwykle masywne – nawet 100 000 razy bardziej od Słońca. Gwiazdy stojące za powstaniem tych obiektów musiałyby jednak bardzo szybko się zapaść – po zaledwie 250 000 lat od narodzin.

Muhammad Latif i jego współpracownicy postanowili wyjaśnić, czy na pierwszych etapach istnienia wszechświata mogły panować warunki sprzyjające tworzeniu się niezwykle masywnych gwiazd, które w krótkim czasie miałyby ginąć, by dać początek istnieniu supermasywnych czarnych dziur. W tym celu naukowcy przeprowadzili symulacje strumieni gazu i zauważyli, iż czarne dziury tworzyły się na przecięciach tych strumieni w sposób spontaniczny. Podważa to wcześniejsze przypuszczenia, które zakładały, że okoliczności sprzyjające tym procesom musiałyby być w zasadzie niemożliwe do osiągnięcia we wczesnym wszechświecie.

Istotne wyniki przeprowadzonych symulacji

Symulacje pokazały, że nawet w tych “zwykłych” warunkach mogło dochodzić do powstawania niezwykle masywnych gwiazd. Dwa takie obiekty miały masy kolejno 31 000 i 40 000 razy większe od masy Słońca. Jako że były one nadal zasilane strumieniami gazu, to nic nie stoi na przeszkodzie, by w ciągu kilkuset milionów lat – co byłoby zgodne z proponowanym scenariuszem – zmieniły się w supermasywne czarne dziury o masach miliardy razy większych od masy Słońca. Jak wyjaśniają autorzy badań, pierwsze supermasywne czarne dziury były czymś, co można określić mianem dzieci kosmicznej sieci.