Zwarte gaten ontstaan ​​wanneer sterren sterven, waardoor de materie erin instort tot een extreem dicht object waaruit zelfs licht niet kan ontsnappen. Astronomen theoretiseren dat massieve zwarte gaten zich ook kunnen vormen bij de geboorte van een sterrenstelsel, maar tot nu toe is niemand in staat geweest ver genoeg terug in de tijd te kijken om de omstandigheden te observeren die deze directe instorting zwarte gaten (DCBH) veroorzaken.

De James Webb-ruimtetelescoop, gepland voor lancering in 2021, misschien ver genoeg terug in het vroege heelal kunnen kijken om een ​​sterrenstelsel te zien dat een ontluikend massief zwart gat herbergt. Nutsvoorzieningen, een simulatie uitgevoerd door onderzoekers van het Georgia Institute of Technology heeft gesuggereerd waar astronomen op moeten letten als ze in een vroeg stadium in de lucht zoeken naar een DCBH.

De eerste in zijn soort simulatie, meldde 10 september in het tijdschrift Natuurastronomie , suggereert dat directe vorming van deze zwarte gaten gepaard zou gaan met specifieke soorten intense straling, inclusief röntgenstralen en ultraviolette emissie die zouden verschuiven naar infrarood tegen de tijd dat ze de telescoop bereiken. De zwarte gaten zouden waarschijnlijk ook massieve metaalvrije sterren voortbrengen, een bevinding die onverwacht was.

Het onderzoek werd ondersteund door NASA, het Los Alamos Nationaal Laboratorium, de Nationale Wetenschapsstichting, de Southern Regional Education Board en twee Hubble-theoriebeurzen.

"Er zijn superzware zwarte gaten in het centrum van veel grote sterrenstelsels, maar we hebben niet kunnen zien hoe ze zich vormen of hoe ze zo groot werden, " zei Kirk S. S. Barrow, de eerste auteur van het papier en een recente Ph.D. afgestudeerd aan Georgia Tech's School of Physics. "Wetenschappers hebben getheoretiseerd dat deze superzware zwarte gaten gevormd kunnen zijn bij de geboorte van een sterrenstelsel, en we wilden deze theoretische voorspellingen omzetten in observationele voorspellingen die kunnen worden gezien door de James Webb Space Telescope."

DCBH-vorming zou worden geïnitieerd door de ineenstorting van een grote gaswolk tijdens de vroege vorming van een sterrenstelsel, zei John H. Wise, een professor aan de Georgia Tech's School of Physics en het Center for Relativistic Astrophysics. Maar voordat astronomen konden hopen deze formatie te vangen, ze zouden moeten weten waar ze op moesten letten in de spectra die de telescoop kon detecteren, die voornamelijk infrarood is.

De vorming van een zwart gat kan ongeveer een miljoen jaar duren, maar om je voor te stellen hoe dat eruit zou kunnen zien, voormalig postdoctoraal onderzoeker Aycin Aykutalp - nu in het Los Alamos National Laboratory - gebruikte de door de National Science Foundation ondersteunde Stampede Supercomputer aan de Universiteit van Texas in Austin om een ​​simulatie uit te voeren die was gericht op de nasleep van de DCBH-vorming. De simulatie gebruikte eerste natuurkundige principes zoals zwaartekracht, straling en hydrodynamica.

"Als eerst het sterrenstelsel wordt gevormd en daarna het zwarte gat in het centrum, die één type handtekening zou hebben, "zei Wise. "Als het zwarte gat zich eerst had gevormd, zou dat een andere signatuur hebben? We wilden weten of er fysieke verschillen zouden zijn, en als het zo is, of dat zich zou vertalen in verschillen die we konden waarnemen met de James Webb Space Telescope."

De simulaties leverden informatie op zoals dichtheden en temperaturen, en Barrow zette die gegevens om in voorspellingen voor wat door de telescoop zou kunnen worden waargenomen - het licht dat waarschijnlijk zal worden waargenomen en hoe het zou worden beïnvloed door gas en stof dat het zou zijn tegengekomen tijdens zijn lange reis naar de aarde. "Aan het einde, we hadden iets dat een waarnemer hopelijk kon zien, ' zei Barrow.

Zwarte gaten hebben ongeveer een miljoen jaar nodig om zich te vormen, een uitbarsting in galactische tijd. In de DCBH-simulatie, die eerste stap houdt in dat gas instort tot een superzware ster tot wel 100, 000 keer massiever dan onze zon. De ster ondergaat dan instabiliteit van de zwaartekracht en stort in zichzelf om een ​​enorm zwart gat te vormen. Straling van het zwarte gat veroorzaakt vervolgens de vorming van sterren over een periode van ongeveer 500, 000 jaar, de simulatie suggereerde.

"De sterren van deze eerste generatie zijn meestal veel massiever, dus ze leven voor een kortere tijd, Wise zei. "In de eerste vijf tot zes miljoen jaar na hun vorming, ze sterven en gaan supernova. Dat is weer een van de handtekeningen die we in dit onderzoek rapporteren."

Na de supernovavorm, het zwarte gat wordt rustiger, maar creëert een strijd tussen elektromagnetische emissies - ultraviolet licht en röntgenstralen die proberen te ontsnappen - en de eigen zwaartekracht van het zwarte gat. "Deze cycli gaan nog 20 of 30 miljoen jaar door, ' zei Wijs.

Zwarte gaten komen relatief veel voor in het heelal, dus de hoop is dat met genoeg snapshots, astronomen konden er een zien geboren worden, en dat zou kunnen leiden tot een nieuw begrip van hoe sterrenstelsels in de loop van de tijd evolueren.

Stervorming rond de DCBH was onverwacht, maar achteraf gezien het is logisch, zei Barrow. De ionisatie die door de zwarte gaten wordt geproduceerd, zou fotochemische reacties veroorzaken die de vorming van de sterren kunnen veroorzaken. Metaalvrije sterren zijn meestal groter dan andere omdat de afwezigheid van een metaal zoals ijzer fragmentatie voorkomt. Maar omdat ze zo groot zijn, deze sterren produceren enorme hoeveelheden straling en eindigen hun leven in supernova's, hij zei.

"Dit is een van de laatste grote mysteries van het vroege heelal, "Barrow zei. "We hopen dat deze studie een goede stap is om erachter te komen hoe deze superzware zwarte gaten gevormd zijn bij de geboorte van een sterrenstelsel."