Hoewel hun bestaan ​​onmiskenbaar is, astronomen over de hele wereld weten nog steeds niet hoe superzware zwarte gaten eigenlijk ontstaan. Een door de EU gefinancierd project heeft tot doel deze vraag te beantwoorden door de vorming en groei van hun zaden te simuleren - zwarte gaten die ontstaan ​​wanneer een extreem massieve ster instort.

Dit is een van de meest raadselachtige vragen in de astronomie:hoe konden superzware zwarte gaten ontstaan ​​in de vroege kosmische tijdperken? Er zijn verre lichtgevende quasars waargenomen die hun bestaan ​​verraden toen het universum nog geen miljard jaar oud was. Maar hier is het ding:het conventionele groeiproces van een zwart gat is veel te traag om hun bestaan ​​toe te staan.

Er zijn mogelijke verklaringen. Het is gezegd, bijvoorbeeld, dat deze superzware zwarte gaten werden geboren uit de explosie van superzware sterren, van de ineenstorting van grote gaswolken, of zelfs van botsingen tussen kleinere zwarte gaten. De theorie die de aandacht van Dr. Muhammad Latif vasthield, echter, was dat zulke zwarte gaten eigenlijk groeiden van extreem groot, 'direct-collapse' zaad zwarte gaten.

Dankzij financiering in het kader van het FIRSTBHS-project (De vorming van superzware zwarte gaten in het vroege heelal), Dr. Latif simuleerde de vorming en groei van deze zaden.

Wat maakt de eerste superzware zwarte gaten zo interessant?

De eerste superzware zwarte gaten zijn erg interessant omdat ze werden gevormd in het babyuniversum, binnen de eerste miljard jaar na de Bing Bang, slechts een klein deel van de huidige leeftijd van het universum (13,7 miljard jaar). Ze dagen ons begrip van structuurvorming in het universum uit.

Een goede analogie zou een situatie zijn waarin je naar een kleuterschool zou gaan en een kind van zeven voet lang zou vinden. Je zult je natuurlijk afvragen hoe dit joch ooit zo groot heeft kunnen worden. Zo is het ook met deze zwarte gaten:hun massa is miljarden keren groter dan die van onze zon, en het is moeilijk te begrijpen hoe ze zo enorm kunnen worden in zo'n korte tijd, toen sterren en sterrenstelsels zich net begonnen te vormen.

Specifieker, welke kennislacunes heb je met dit project willen dichten?

We wilden begrijpen wat de meest haalbare manier zou zijn om zulke massieve objecten te assembleren. Er zijn drie belangrijke astrofysische mechanismen die kunnen leiden tot de vorming van de eerste superzware zwarte gaten. Het meest veelbelovende scenario is de zogenaamde directe ineenstortingsmethode:het levert enorme zaden op, wat hun groei gemakkelijker maakt.

Met dit project, we wilden de haalbaarheid van dit scenario onderzoeken, hoe enorm de zaden zijn die het kan leveren en hoe overvloedig ze zijn, vergelijk hun aantaldichtheid met waarnemingen en onderzoek in detail de onderliggende astrofysische mechanismen. We wilden verder hun observatiekenmerken afleiden en voorspellingen doen voor aanstaande ruimte- en grondmissies.

Hoe ben je te werk gegaan om dit te doen?

We voerden zogenaamde driedimensionale kosmologische simulaties uit, vertrekkend van ab initio initiële omstandigheden door alle noodzakelijke fysieke processen in detail te modelleren.

Wat waren volgens u de meest innovatieve aspecten van deze methodologie?

Ik zou zeggen dat het de multi-fysica van onze kosmologische simulatie is, waaronder gedetailleerde chemische en onopgeloste turbulentiemodellen, magnetische velden, stralingsoverdracht naar model UV, Röntgenfeedback van aangroeiend zwart gat en sterren, evenals metaalverrijking. Deze aanpak gaat verder dan de state-of-the-art in het veld.

Wat waren de belangrijkste bevindingen uit het project?

Onze resultaten laten zien dat het directe instortingsmechanisme enorme zwarte gaten van 10^5 tot 10^6 zonsmassa's oplevert, die kunnen uitgroeien tot de eerste superzware zwarte gaten.

De omstandigheden voor de vorming van dergelijke objecten zijn ideaal in het vroege heelal. Bijzonder, de ongerepte massieve halo's verlicht door sterke UV-flux zijn de potentiële bakermaten voor de vorming van massieve zwarte gaten. Onze bevindingen suggereren dat dergelijke objecten zeldzaam zijn, omdat ze speciale voorwaarden vereisen om zich te vormen - maar hierover wordt nog steeds gedebatteerd onder experts.

Wat verwacht je van de JWST- en ATHENA-missies?

We hopen dat JWST enkele van de zaadzwarte gaten zal vinden, aangezien deze verre objecten in een vroeg stadium vrij zwak zijn. Natuurlijk, het hangt er ook van af hoe overvloedig ze zijn, wat nog een open vraag is.

ATHENA ziet er veelbelovender uit, omdat het naar verwachting een paar honderd AGN met een lage helderheid zal detecteren bij z> 6 die zal helpen om modellen voor de vorming van zwarte gaten te beperken.

Wat zijn uw vervolgplannen, indien van toepassing?

We onderzoeken momenteel de groei van zwarte gaten in het vroege heelal waarvoor we gedetailleerde simulaties hebben uitgevoerd. Met mijn medewerkers, we proberen te begrijpen hoe feedback van het zwarte gat en de sterren de groei van zwarte gaten beïnvloedt, en ook de rol van de omgeving, koude stromen die deze zwarte gaten voeden, enz. We streven ernaar om synthetische waarneembare gegevens af te leiden voor E-ELT, Euclides, ATHENE, JWST en SKA, en we hopen dat een dergelijke benadering ons zal helpen de vorming en groei van de eerste superzware zwarte gaten te begrijpen.