Ze zijn miljarden keren groter dan onze zon:hoe is het mogelijk dat, zoals onlangs waargenomen, superzware zwarte gaten waren al aanwezig toen het heelal, nu 14 miljard jaar oud, "slechts" 800 miljoen jaar oud was? Voor astrofysici, de vorming van deze kosmische monsters in zo'n korte tijd is een echte wetenschappelijke hoofdpijn, wat belangrijke vragen oproept over de huidige kennis van de ontwikkeling van deze hemellichamen.

Een recent artikel gepubliceerd in Het astrofysische tijdschrift , door de SISSA Ph.D. student Lumen Boco en zijn begeleider Andrea Lapi, biedt een mogelijke verklaring voor de netelige kwestie. Dankzij een origineel model, getheoretiseerd door de wetenschappers uit Triëst, de studie stelt een zeer snel vormingsproces voor in de beginfasen van de ontwikkeling van superzware zwarte gaten, die tot nu toe als langzamer werden beschouwd. bewijzen, wiskundig, dat hun bestaan ​​mogelijk was in het jonge heelal, de resultaten van het onderzoek verzoenen de timing die nodig is voor hun groei met de beperkingen opgelegd door de leeftijd van de kosmos. De theorie kan volledig worden gevalideerd dankzij toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren, namelijk de Einstein Telescope en LISA, maar getest in verschillende basisaspecten, ook met het huidige geavanceerde LIGO/Virgo-systeem.

Het kosmische monster dat groeit in het centrum van sterrenstelsels

De wetenschappers begonnen hun studie met een stuk bekend observationeel bewijs:de groei van superzware zwarte gaten vindt plaats in de centrale regio's van sterrenstelsels, voorlopers van de huidige elliptische sterrenstelsels, die een zeer hoog gasgehalte had en waarin de stervorming extreem intens was. "De grootste sterren leven maar een korte tijd en evolueren heel snel naar stellaire zwarte gaten, zo groot als tientallen zonnemassa's; ze zijn klein, maar velen vormen zich in deze sterrenstelsels." Het dichte gas dat hen omringt, leg Boco en Lapi uit, heeft een zeer krachtig definitief effect van dynamische wrijving en zorgt ervoor dat ze zeer snel naar het centrum van de melkweg migreren. De meerderheid van de talrijke zwarte gaten die de centrale regio's bereiken, versmelten, het creëren van het superzware zwarte gat zaad.

Boco en Lapi vervolgen:"Volgens klassieke theorieën, een superzwaar zwart gat groeit in het centrum van een melkwegstelsel dat de omringende materie vastlegt, voornamelijk gas, "het op zichzelf laten groeien" en het uiteindelijk verslinden met een ritme dat evenredig is met zijn massa. Om deze reden, tijdens de eerste fasen van zijn ontwikkeling, wanneer de massa van het zwarte gat klein is, de groei is erg traag. Voorzover, volgens de berekeningen om de waargenomen massa te bereiken, miljarden keren die van de zon, een zeer lange tijd nodig zou zijn, zelfs groter dan de leeftijd van het jonge heelal." Hun studie, echter, toonde aan dat het veel sneller kon.

Het gekke streepje zwarte gaten:wat de wetenschappers hebben ontdekt

"Onze numerieke berekeningen laten zien dat het proces van dynamische migratie en fusie van stellaire zwarte gaten ervoor kan zorgen dat het superzware zwarte gat zaad een massa van tussen de 10, 000 en 100, 000 keer die van de zon in slechts 50-100 miljoen jaar." Op dit punt, zeggen de onderzoekers, "de groei van het centrale zwarte gat volgens de eerder genoemde directe aanwas van gas, voorzien door de standaardtheorie, zal heel snel worden, omdat de hoeveelheid gas die het zal aantrekken en absorberen enorm zal worden, en overheersend op het proces dat wij voorstellen. Hoe dan ook, precies het feit dat we beginnen met zo'n groot zaadje zoals voorzien door ons mechanisme, versnelt de wereldwijde groei van het superzware zwarte gat en maakt de vorming ervan mogelijk, ook in het Jonge Universum. Kortom, in het licht van deze theorie, kunnen we stellen dat 800 miljoen jaar na de oerknal, superzware zwarte gaten zouden de kosmos al kunnen bevolken."

"Kijkend" naar de superzware zwarte gaten die zaden groeien

Het artikel, naast het illustreren van het model en het aantonen van de doeltreffendheid ervan, stelt ook een methode voor om het te testen:"De fusie van talrijke stellaire zwarte gaten met het zaad van het superzware zwarte gat in het centrum zal zwaartekrachtgolven produceren die we verwachten te zien en te bestuderen met huidige en toekomstige detectoren, " leggen de onderzoekers uit. In het bijzonder, de zwaartekrachtsgolven die in de beginfasen werden uitgezonden, als het centrale zwarte gat zaadje nog klein is, zal worden geïdentificeerd door de huidige detectoren zoals Advanced LIGO/Virgo en volledig te karakteriseren door de toekomstige Einstein Telescope. De daaropvolgende ontwikkelingsfasen van het superzware zwarte gat konden worden onderzocht dankzij de toekomstige detector LISA, die rond 2034 in de ruimte wordt gelanceerd. leg Boco en Lapi uit, "het proces dat we voorstellen kan worden gevalideerd in zijn verschillende fasen, op een complementaire manier, door toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren."

"Dit onderzoek", concludeert Andrea Lapi, coördinator van de groep Astrofysica en Kosmologie van SISSA, "laat zien hoe de studenten en onderzoekers van onze groep de nieuwe grens van zwaartekrachtsgolven en multi-messenger-astronomie volledig naderen. In het bijzonder, ons belangrijkste doel zal zijn om theoretische modellen te ontwikkelen, zoals in dit geval bedacht, die dienen om te profiteren van de informatie afkomstig van de experimenten van huidige en toekomstige zwaartekrachtsgolven, daardoor hopelijk oplossingen bieden voor onopgeloste problemen in verband met astrofysica, kosmologie en fundamentele fysica."