Het licht dat vrijkomt rond de eerste massieve zwarte gaten in het heelal is zo intens dat het telescopen over het hele heelal kan bereiken. ongelooflijk, het licht van de verste zwarte gaten (of quasars) reist al meer dan 13 miljard lichtjaar naar ons toe. Echter, we weten niet hoe deze monsterlijke zwarte gaten zijn ontstaan.

Nieuw onderzoek onder leiding van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, Dublin City-universiteit, Michigan State universiteit, de Universiteit van Californië in San Diego, het San Diego Supercomputer Center en IBM, biedt een nieuwe en zeer veelbelovende manier om dit kosmische raadsel op te lossen. Het team toonde aan dat wanneer sterrenstelsels extreem snel - en soms gewelddadig - samenkomen, dit kan leiden tot de vorming van zeer massieve zwarte gaten. In deze zeldzame sterrenstelsels, normale stervorming wordt verstoord en de vorming van zwarte gaten neemt het over.

De nieuwe studie constateert dat massieve zwarte gaten worden gevormd in dichte, sterloze gebieden die snel groeien, het op zijn kop zetten van de lang aanvaarde overtuiging dat de vorming van massieve zwarte gaten beperkt was tot gebieden die werden gebombardeerd door de krachtige straling van nabijgelegen sterrenstelsels. Conclusies van de studie, gerapporteerd op 23 januari in het journaal Natuur en ondersteund door financiering van de National Science Foundation, de Europese Unie en NASA, vindt ook dat massieve zwarte gaten veel vaker voorkomen in het universum dan eerder werd gedacht.

De belangrijkste criteria om te bepalen waar massieve zwarte gaten zijn gevormd tijdens de kindertijd van het universum, hebben betrekking op de snelle groei van pre-galactische gaswolken die de voorlopers zijn van alle huidige sterrenstelsels, wat betekent dat de meeste superzware zwarte gaten een gemeenschappelijke oorsprong hebben in dit nieuw ontdekte scenario, zei John Wise, een universitair hoofddocent in het Center for Relativistic Astrophysics aan Georgia Tech en de corresponderende auteur van het artikel. Donkere materie stort in tot halo's die de zwaartekrachtslijm zijn voor alle sterrenstelsels. De vroege snelle groei van deze halo's verhinderde de vorming van sterren die zouden hebben geconcurreerd met zwarte gaten om gasvormige materie die het gebied binnenstroomde.

"In dit onderzoek, we hebben een totaal nieuw mechanisme ontdekt dat de vorming van massieve zwarte gaten veroorzaakt, met name halo's van donkere materie, Wise zei. "In plaats van alleen straling te overwegen, we moeten kijken hoe snel de halo's groeien. We hebben niet zoveel natuurkunde nodig om het te begrijpen - alleen hoe de donkere materie wordt verdeeld en hoe de zwaartekracht dat zal beïnvloeden. Om een ​​enorm zwart gat te vormen, moet je je in een zeldzaam gebied bevinden met een intense convergentie van materie."

Toen het onderzoeksteam deze zwarte gaten-formatieplaatsen in de simulatie vond, ze waren eerst stomverbaasd, zei John Regan, research fellow bij het Centre for Astrophysics and Relativity in Dublin City University. Het eerder geaccepteerde paradigma was dat massieve zwarte gaten zich alleen konden vormen als ze werden blootgesteld aan hoge niveaus van nabije straling.

"Eerdere theorieën suggereerden dat dit alleen zou moeten gebeuren als de locaties werden blootgesteld aan hoge niveaus van stervormingsdodende straling, "zei hij. "Toen we dieper groeven, we zagen dat deze sites een periode van extreem snelle groei doormaakten. Dat was de sleutel. Het gewelddadige en turbulente karakter van de snelle vergadering, het gewelddadige samenvallen van de fundamenten van de melkweg tijdens de geboorte van de melkweg verhinderde normale stervorming en leidde in plaats daarvan tot perfecte omstandigheden voor de vorming van een zwart gat. Dit onderzoek verschuift het vorige paradigma en opent een heel nieuw onderzoeksgebied."

De eerdere theorie was gebaseerd op intense ultraviolette straling van een nabijgelegen melkwegstelsel om de vorming van sterren in de zwarte gat-vormende halo te remmen, zei Michael Norman, directeur van het San Diego Supercomputer Center aan de UC San Diego en een van de auteurs van het werk. "Hoewel UV-straling nog steeds een factor is, ons werk heeft aangetoond dat het niet de dominante factor is, althans in onze simulaties, " hij legde uit.

Het onderzoek was gebaseerd op de Renaissance Simulation-suite, een dataset van 70 terabyte die tussen 2011 en 2014 op de Blue Waters-supercomputer is gemaakt om wetenschappers te helpen begrijpen hoe het universum zich in de beginjaren heeft ontwikkeld. Om meer te weten te komen over specifieke regio's waar zich grote zwarte gaten zouden kunnen ontwikkelen, de onderzoekers onderzochten de simulatiegegevens en vonden tien specifieke halo's van donkere materie die sterren hadden moeten vormen gezien hun massa, maar die alleen een dichte gaswolk bevatten. Met behulp van de Stampede2-supercomputer, ze simuleerden vervolgens twee van die halo's - elk ongeveer 2, 400 lichtjaar in doorsnede - met een veel hogere resolutie om details te begrijpen van wat er 270 miljoen jaar na de oerknal in hen gebeurde.

"Alleen in deze te dichte gebieden van het universum zagen we deze zwarte gaten ontstaan, Wise zei. "De donkere materie zorgt voor de meeste zwaartekracht, en dan valt het gas in dat zwaartekrachtpotentieel, waar het sterren of een enorm zwart gat kan vormen."

De Renaissance-simulaties zijn de meest uitgebreide simulaties van de vroegste stadia van de zwaartekrachtsassemblage van het ongerepte gas bestaande uit waterstof en helium en koude donkere materie die leidden tot de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels. Ze gebruiken een techniek die bekend staat als adaptieve mesh-verfijning om in te zoomen op dichte klonten die sterren of zwarte gaten vormen. In aanvulling, ze beslaan een gebied van het vroege heelal dat groot genoeg is om duizenden objecten te vormen - een vereiste als je geïnteresseerd bent in zeldzame objecten, zoals hier het geval is. "De hoge resolutie, rijke fysica en een groot aantal instortende halo's waren allemaal nodig om dit resultaat te bereiken, ' zei Norman.

De verbeterde resolutie van de simulatie die voor twee kandidaat-regio's werd gedaan, stelde de wetenschappers in staat turbulentie en de instroom van gas en klonten materie te zien terwijl de voorlopers van het zwarte gat begonnen te condenseren en te draaien. Hun groeitempo was dramatisch.

"Astronomers observe supermassive black holes that have grown to a billion solar masses in 800 million years, " Wise said. "Doing that required an intense convergence of mass in that region. You would expect that in regions where galaxies were forming at very early times."

Another aspect of the research is that the halos that give birth to black holes may be more common than previously believed.

"An exciting component of this work is the discovery that these types of halos, though rare, may be common enough, " said Brian O'Shea, a professor at Michigan State University. "We predict that this scenario would happen enough to be the origin of the most massive black holes that are observed, both early in the universe and in galaxies at the present day."

Future work with these simulations will look at the lifecycle of these massive black hole formation galaxies, studying the formation, growth and evolution of the first massive black holes across time. "Our next goal is to probe the further evolution of these exotic objects. Where are these black holes today? Can we detect evidence of them in the local universe or with gravitational waves?" Regan asked.

For these new answers, the research team—and others—may return to the simulations.

"The Renaissance Simulations are sufficiently rich that other discoveries can be made using data already computed, " said Norman. "For this reason we have created a public archive at SDSC containing called the Renaissance Simulations Laboratory where others can pursue questions of their own."