Ilustrarea Universului timpuriu. Credit de imagine: NASA. Faceți clic pentru a mări.
Totul a început cu mult timp în urmă, în timp ce universul era foarte tânăr. Cele mai vechi stele crescătoare masive s-au înnobilat în tinerețe - învârtindu-se și cavortând printre ierburile verzi bogate de materie virgină. Pe măsură ce timpul alocat a trecut, motoarele nucleare fierbeau fluxurile extinse de hidrogen fierbinte și gaz de heliu - îmbogățind media interstelară. În timpul acestei faze, grupuri de stele supermasive s-au format în buzunare mici în apropierea miezurilor galactice născute - fiecare grupă înoată în regiuni mici de materie primordială mini-halo.
Finalizând ciclul lor, primele stele crescătoare au explodat, aruncând atomi grei. Dar înainte de acumularea prea multă materie grea în Univers, cele mai vechi găuri negre s-au format, au crescut rapid prin asimilarea reciprocă și au acumulat suficientă influență gravitațională pentru a atrage gaze „Goldilocks” de temperaturi și compoziție precise în mari discuri cu acreție largă. Această fază supercritică de creștere a maturizat primele găuri negre masive (MBHs) rapid până la statutul găurii negre supermasive (SMBH). Din această cauză, primii cvasi au avut reședința în minalo-urile topite de numeroase protogalaxii.
Această imagine a formării precoce a cvasarului a apărut dintr-o lucrare recentă (publicată pe 2 iunie 2005), intitulată „Creșterea rapidă a găurilor negre ridshift”, scrisă de Cosmologii Cambridge din Marea Britanie Martin J. Rees și Marta Volonteri. Acest studiu tratează posibilitatea ca o fereastră scurtă de formare rapidă a SMBH să se deschidă după timpul transparenței universale, dar înainte ca gazele din media interstelară să fie complet reionizate prin radiații stelare și însămânțate cu metale grele de supernove. Modelul Rees-Volonteri încearcă să explice fapte care provin din setul de date Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Până la un miliard de ani de la Big Bang, se formaseră deja multe cvasi extrem de radiante. Fiecare cu SMBH-uri care au mase care depășesc 1 miliard de sori. Acestea au apărut din „găuri negre din semințe” - cindrele gravitaționale rămase în urmă după cel mai timpuriu ciclu de supernove se prăbușesc printre primele grupări galactice masive. Până la un miliard de ani de la Big Bang, totul a fost terminat. Cum s-ar putea condensa atât de repede atât de mult în regiuni atât de mici de spațiu?
Potrivit lui Volontari și Rees, „Pentru a crește astfel de semințe până la 1 miliard de mase solare necesită o acumulare aproape continuă de gaz ...” Pentru a lucra împotriva unei rate atât de mari de acumulare, este faptul că radiațiile din materie care se încadrează într-o gaură neagră compensează de obicei rapid „ creștere în greutate". Majoritatea modelelor de creștere a SMBH arată că aproximativ 30% din masa care se încadrează către o gaură neagră intermediară (masivă - nu supermasivă) este transformată în radiații. Efectul acestui lucru este de două ori: Materia care ar alimenta MBH se pierde la radiații, iar presiunea exterioară radiația înăbușește marșul suplimentar către interior pentru a alimenta o creștere rapidă.
Cheia pentru înțelegerea formării rapide a SMBH constă în posibilitatea ca discurile de acumulare precoce în jurul MBH să nu fie la fel de dense optic ca în ziua de azi - ci „grase” cu materie distribuită tenu. În astfel de condiții, radiațiile au o cale mai largă medie liberă și pot scăpa dincolo de discuri fără a împiedica mișcarea interioară a materiei. Combustibilul care conduce întregul proces de creștere SMBH este livrat copios în orizontul evenimentului cu gaura neagră. Între timp, tipul de materie prezent în cea mai timpurie epocă a fost în principal hidrogen monatomic și heliu - nu genul de discuri cu acreție bogată în metale grele dintr-o epocă ulterioară. Toate acestea sugerează că MBH-ul timpuriu a crescut în grabă, reprezentând în cele din urmă numeroasele cvasare pe deplin mature observate în setul de date SDSS. Astfel de MBH-uri timpurii trebuie să fi avut raporturi de conversie energie-masă mai tipice pentru SMBH-uri complet mature decât cele ale MBH de astăzi.
Volontari și Rees spun că anchetatorii precedenți au arătat că „cvasarele dezvoltate complet au o eficiență de conversie masă-energie de aproximativ 10%…” Perechea avertizează totuși că această valoare de conversie a energiei masice iese din studiile cvasarelor dintr-o perioadă ulterioară în Universal. expansiune și că „nu se știe nimic despre eficiența radiativă a cvasarelor pregalactice din Universul timpuriu.” Din acest motiv „imaginea pe care o avem despre Universul redshift redus s-ar putea să nu se aplice mai devreme.” În mod clar, Universul timpuriu era mai dens ambalat cu materie, materia respectivă era la o temperatură mai ridicată și exista un raport mai mare dintre nemetalele și metalele. Toți acești factori spun că este aproape cel mai bine de bănuit în ceea ce privește eficiența conversiei în masă-energie a MBH-urilor timpurii. Având în vedere că acum trebuie să ne dăm seama de ce există atât de multe SMBH-uri printre cvasi-urile timpurii, este logic că Volontari și Rees folosesc ceea ce știu despre discurile de acumulare de astăzi ca mijloc de a explica modul în care aceste discuri au putut fi diferite în trecut.
Și este cel mai timpuriu - înainte de radiația de la numeroase stele re-ionizate gaze în media inter-stelară - care a oferit condiții coapte pentru formarea rapidă a SMBH. Este posibil ca aceste condiții să fi durat mai puțin de 100 de milioane de ani și să necesite un echilibru adept al temperaturii, densității, distribuției și compoziției materiei din Univers.
Pentru a obține imaginea completă (așa cum este pictată în hârtie), începem cu ideea că universul timpuriu a fost populat de nenumărate mini-halos cuprinse din materie întunecată și barilă, cu clustere de stele extrem de masive, dar extrem de dense în mijlocul lor. Datorită densității acestor ciorchini - și a masivității stelelor care le cuprinde - supernovele s-au dezvoltat rapid pentru a genera numeroase „găuri negre”. Aceste semințe BHs s-au reunit în găuri negre masive. Între timp, forțele gravitaționale și mișcările reale au reunit rapid diferitele mini-halos. Aceasta a creat haloguri din ce în ce mai masive, capabile să alimenteze MBH-uri.
În Universul timpuriu, materia care înconjura MBH-urile a luat forma unor sferoizi uriași de hidrogen și săruri metalice, cu o medie de aproximativ 8.000 de grade Kelvin în temperatură. La temperaturi atât de ridicate, atomii rămân ionizați. Datorită ionizării, au existat puțini electroni asociați cu atomii care să acționeze ca niște capcane fotonice. Efectele presiunii de radiație s-au diminuat până când materia a căzut mai ușor într-un orizont de eveniment cu găuri negre. Între timp, electronii liberi înșiși risipesc lumina. O parte din această lumină re-radiază înapoi spre discul de acumulare și o altă sursă de masă - sub formă de energie - alimentează sistemul. În cele din urmă, o deficiență de metale grele - cum ar fi oxigenul, carbonul și azotul - înseamnă că atomii monotomici rămân fierbinți. Deoarece temperaturile scad sub 4.000 de grade K, atomii se dezionizează și sunt din nou supuși presiunii de radiație, reducând fluxul de materie proaspătă care se încadrează în orizontul evenimentului BH. Toate aceste proprietăți pur fizice au avut tendința de a reduce raporturile de eficiență masă-energie în jos - ceea ce permite MBH-urilor să se ridice în greutate rapid.
Între timp, în timp ce mini-halosul se întărește, materia baryonă fierbinte se condensa pe discuri „groase” - nu inelele subțiri văzute în jurul SMBH-urilor. Acest lucru s-a produs pentru că materia halo în sine a înconjurat complet MBH-urile în creștere rapidă. Această distribuție sferoidală a materiei a furnizat o sursă constantă de materie proaspătă, fierbinte, virgină pentru a alimenta discul de acumulare dintr-o varietate de unghiuri. Discurile groase însemnau cantități mai mari de materie la o densitate optică mai mică. Încă o dată, materia a reușit să evite să fie „navigați cu energie solară” în afară de marja imensă a MBH și raporturile de conversie a energiei în masă au scăzut.
Ambii factori - discurile de grăsime și atomii cu masa scăzută ionizată - spun că în perioada de aur a unui Univers verde timpuriu, MBH-urile au crescut rapid. În decurs de un miliard de ani de la Big Bang, ei se stabiliseră într-o maturitate relativ liniștită, transformând eficient materia în lumină și aruncând acea lumină pe vaste domenii de timp și spațiu într-un Univers potențial în continuă expansiune.
Scris de Jeff Barbour
