Zwarte gaten in het vroege heelal vormen een beetje een probleem. Gebaseerd op waarnemingen van telescopen op aarde en in de ruimte, we weten dat sommige zwarte gaten slechts een miljard jaar na de oerknal uitgroeiden tot een miljard keer de massa van de zon. Onze huidige modellen van de groei van zwarte gaten, echter, kan deze groeisnelheid niet verklaren. Dus hoe zijn deze superzware zwarte gaten ontstaan?

Dit is een probleem waar astronomen al lang last van hebben. Ons huidige begrip suggereert dat in dit tijdsbestek, alleen zogenaamde intermediaire zwarte gaten tot 100, 000 keer de massa van onze zon had moeten kunnen groeien. En hoewel er verschillende theorieën zijn voorgesteld voor deze snelle vroege groei van zwarte gaten, het antwoord blijft ongrijpbaar.

"Dat is nog steeds een enorm probleem in de astrofysica, " zei Dr. John Regan, een astrofysicus van de Dublin City University, Ierland.

Zwarte gaten ontstaan ​​nadat een massieve ster zonder brandstof komt te zitten, soms als gevolg van een supernova en andere keren zonder een supernova, wat het directe instortingsscenario wordt genoemd. Zodra een ster geen brandstof meer heeft om te verbranden, het kan zijn massa niet langer dragen en stort in. Als de massa van de ster groot genoeg was, het zal instorten tot een object met een enorme zwaartekracht waaruit niets, niet eens licht, kan ontsnappen - een zwart gat.

Naarmate het zwarte gat geleidelijk meer en meer nabijgelegen stof en gas aanzuigt, kan het in omvang toenemen, uiteindelijk de gigantische proporties van een superzwaar zwart gat bereiken, zoals de eerste ooit afgebeeld in april 2019. Wetenschappers onderzoeken nu of superzware zwarte gaten gevormd kunnen zijn uit superzware sterren die instortten om grote 'zaad' zwarte gaten te vormen, geven ze een voorsprong in hun groei.

Dr. Regan coördineerde een project genaamd SmartStars, die een van de krachtigste supercomputers in Ierland gebruikte, ICHEC, om te modelleren hoe superreuzen de zaden kunnen leveren voor superzware zwarte gaten. Het team wilde zien of deze sterren de snelle groei van superzware zwarte gaten konden verklaren. die we tegenwoordig in het centrum van bijna elk sterrenstelsel zien.

250, 000

Ze ontdekten dat zulke sterren tot 250 konden groeien, 000 keer de massa van de zon binnen 200 miljoen jaar na de oerknal - een verleidelijk resultaat. Echter, zelfs supercomputers hebben hun beperkingen. De onderzoekers waren slechts in staat om de toekomst van dergelijke sterren gedurende een miljoen jaar te modelleren, maar de modellering moet 800 miljoen jaar beslaan om te zien of deze sterren echt de zaden kunnen zijn van superzware zwarte gaten.

"Het is echt een uitstekend startpunt, "zei Dr. Regan. "Over de volgende generatie supercomputers zullen we die simulaties steeds verder kunnen brengen."

Andere theorieën over hoe deze zwarte gaten zo snel groeiden, zijn dat een klein deel van de zwarte gaten met ongelooflijke snelheden groeide, of dat kleinere zwarte gaten samensmolten om uit te groeien tot een superzwaar zwart gat.

Dr. Mohammed Latif, een astrofysicus aan de Universiteit van de Verenigde Arabische Emiraten in Abu Dhabi, is het met Dr. Regan eens dat het superzware stermodel op dit moment onze beste theorie blijft. Dr. Latif was de hoofdonderzoeker van het FIRSTBHs-project dat, zoals SmartStars, onderzocht de plausibiliteit van het superzware stermodel, met behulp van simulaties op een supercomputer in Frankrijk.

Zijn project, die werd uitgevoerd bij CNRS in Frankrijk, toonde aan dat superzware sterren zwarte gaten kunnen produceren die honderdduizenden keren zo zwaar zijn als onze zon. "We ontdekten dat deze methode in principe haalbaar is, " zei dr. Latif, verklarend dat deze initiële zwarte gaten groot genoeg zijn om de groei van superzware zwarte gaten van een miljard zonsmassa's in een klein tijdsbestek te verklaren.

Echter, het vereist dat de omstandigheden in het vroege heelal precies goed waren om deze zwarte gaten te kunnen vormen. Er zouden grote hoeveelheden materiaal van waterstof en helium nodig zijn om genoeg massieve zwarte gaten te vormen om superzware zwarte gaten te produceren. wat mogelijk lijkt te zijn geweest.

Maar andere onverklaarbare factoren betekenen dat dit nog steeds een open vraag is. De zaadzwarte gaten zouden materie moeten aanzuigen met een snelheid van ten minste 0,1 zonsmassa per jaar, bijvoorbeeld, en op dit moment is het niet duidelijk of dit mogelijk is.

Observatoria

Verschillende observatoria stellen ons al in staat om zwarte gaten in het vroege heelal zeer gedetailleerd te onderzoeken. In oktober 2019, astronomers announced that they had used the Atacama Large Millimetre/submillimetre Array (ALMA) in Chile to find a thick ring of dust and gas around a supermassive black hole inside a distant galaxy. With two gas streams rotating in opposite directions, it's thought this ring could have fed the supermassive black hole with enough material to cause it to grow rapidly.

Eerder, in August 2019, NASA's Chandra X-ray Observatory managed to spot a so-called 'cloaked' black hole growing rapidly when the universe was just 6% of its current age. A thick cloud of gas hides the black hole and its resulting quasar, a bright region of superheated material that surrounds it, but Chandra was able to spot it by seeing X-rays emerge from the cloud.

Echter, future telescopes will likely be needed to study the rapid growth of supermassive black holes in even more detail. Bijvoorbeeld, while we can predict the existence of seed black holes, we can't yet see them. NASA's upcoming James Webb Space Telescope (JWST), due to launch in 2021, may be capable of spotting some of the undiscovered seed black holes.

The European Space Agency's Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), In de tussentijd, set to launch in 2031, should give us an even better understanding of how supermassive black holes arise.

"People are quite hopeful that we will get a rather better picture with the ATHENA mission, " said Dr. Latif. And maybe soon, we'll finally know how these huge objects grew so big in such a short space of time.

"It's like going to kindergarten and finding a seven-feet tall baby, " added Dr. Latif.