Wissenschaftler haben das Geheimnis der Geburt der ältesten Schwarzen Löcher im Universum entdeckt

Es dauert lange, bis ein supermassereiches Schwarzes Loch wächst, selbst wenn es unersättlich frisst. Wie also supermassive Schwarze Löcher, die Milliarden Mal schwerer als die Sonne sind, während der ersten Milliarden des Lebens des Universums entstanden sind, war schon immer ein Rätsel.

Aber neue Arbeiten eines internationalen Teams von Kosmologen legen eine Antwort nahe: Ströme kalter Materie, die von mysteriöser dunkler Materie gebildet werden, versorgen Schwarze Löcher mit einer Kraft, die aus dem Tod riesiger Protosterne hervorgegangen ist.

„Es gibt ein Rezept, um bei der Geburt ein Schwarzes Loch mit 100.000 Sonnenmassen zu erschaffen, einen Urstern mit 100.000 Sonnenmassen“, sagte Daniel Wallen, ein Kosmologe an der Universität von Portsmouth. unabhängig. „Im heutigen Universum sind die einzigen Schwarzen Löcher, die wir entdeckt haben, alle aus dem Kollaps massereicher Sterne entstanden. Das bedeutet, dass die Mindestmasse eines Schwarzen Lochs mindestens drei bis vier Sonnenmassen betragen muss.“

Aber die Bucht ist riesig zwischen einem Stern mit einer Masse von 4 Sonnenmassen und einem Stern mit einer Masse von 100.000 Sonnenmassen, einem „riesigen“ Stern, der sich, wenn er um die Sonne zentriert wäre, bis in die Umlaufbahn von Pluto erstrecken würde. Dr. Wallen sagte, dass sich in den letzten 20 Jahren ein Großteil der Forschung zu Quasaren im frühen Universum – Zentren sehr heller Galaxien, die von supermassiven Schwarzen Löchern angetrieben werden – auf die fein abgestimmten Bedingungen konzentriert hat, die die Entstehung solcher zulassen würden ein massiver Urstern.

Aber in neues Papier Veröffentlicht im Magazin Natur temperierenWallen und Kollegen verwendeten Supercomputer-Modelle der kosmischen Evolution, um zu zeigen, dass sich extrem riesige Protosterne, anstatt sich aus einer ganz besonderen Reihe von Bedingungen zu entwickeln, ganz natürlich aus einer Reihe von Urbedingungen bilden und zu Quasaren „Samen“ kollabieren, die, obwohl sie immer noch relativ selten sind , es ist viel weniger empfindlich. Und alles beginnt mit dunkler Materie.

„Wenn Sie sich den Gesamtinhalt ansehen, nennen wir ihn den gesamten Massenenergiegehalt des Universums, 3 Prozent davon in Form von Materie, die wir verstehen“ – eine Substanz aus Protonen, Neutronen, Elektronen, Wasserstoff, Helium und so weiter , sagte Dr. Wallen. Aber „24 Prozent liegen in Form von dunkler Materie vor, und wir wissen, dass sie wegen der Bewegung von Galaxien und Galaxienhaufen vorhanden ist, aber wir wissen nicht, was es ist.“

Das bedeutet, dass dunkle Materie nur durch die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie interagiert, und es ist die Schwerkraft der dunklen Materie, die die größte Struktur des Universums geschaffen hat: das kosmische Netz. Dr. Wallen sagte, dass im frühen Universum riesige Schwaden dunkler Materie unter ihrem eigenen Gewicht zu langen Filamenten zusammenbrachen, normale Materie mit sich zogen und ein Netz aus Filamenten und ihren Verbindungen bildeten.

Galaxien und Sterne bilden sich schließlich in den Filamenten und insbesondere in den materiereichen Schnittpunkten der Filamente.

„Wir nennen sie Halos, kosmische Halos, und wir glauben, dass Ursterne dort zuerst entstanden sind“, sagte Dr. Wallen über die Schnittpunkte.

Frühere Überlegungen gingen davon aus, dass die Korona unter besonderen Bedingungen zu gigantischen Ausmaßen anwachsen müsste, um einen Urstern zu bilden, der groß genug ist, um ein supermassereiches Schwarzes Loch zu gebären und einen Quasar während der ersten Milliarde Jahre des Universums zu erschaffen: keine anderen Sterne so nah , Bildung von molekularem Wasserstoff, um den Gaskühler aufrechtzuerhalten, Überschallgasfluss, um die Korona turbulent zu halten. Solange die Aura kalt und turbulent genug war, konnte sie nicht genug zusammenhalten, um wie ein Stern zu zünden, was ihre Wachstumsphase verlängerte, bis sie schließlich von gigantischer Größe geboren wurde.

Sobald sich ein massiver Stern entzündet, sein Leben lebt, verbrennt und in ein Schwarzes Loch kollabiert, muss er Zugang zu großen Mengen an Gas haben, um exponentiell zu wachsen, sagte Dr. Wallen, „denn die Art und Weise, wie ein Schwarzes Loch wächst, ist es Gas schlucken.“

Aber anstatt fein abgestimmte Bedingungen für die Bildung eines supermassiven Sterns und schließlich eines supermassiven Schwarzen Lochs zu erfordern, deuten die Simulationen von Dr. Wallen und Kollegen darauf hin, dass der Fluss von kaltem Gas in einen Halo aus Filamenten aus dunkler Materie, der das kosmische Netz definiert, das ersetzen könnte Fülle. Ein notwendiger Faktor für die Entstehung von Ursternen in antiken Modellen.

„Wenn kalte Akkretionsflüsse das Wachstum dieser Halos antreiben, müssen sie diese Halos bombardieren“, sagte Dr. Wallen und traf sie so schnell mit so viel Gas, dass Turbulenzen verhindern könnten, dass die Gase kollabieren und einen Urstern bilden. „

Als sie eine solche von kalten Akkretionsströmen gespeiste Korona simulierten, sahen die Forscher, wie sich zwei massive Ursterne bildeten, einer von der Größe von 31.000 Sonnen und der andere von der Größe von 40.000 Sonnen. Samen von supermassereichen Schwarzen Löchern.

„Es war wunderbar einfach. Das 20-Jahres-Problem war über Nacht vorbei“, sagte Dr werden eine massive Sternentstehung und eine massive Samenbildung haben, die einen riesigen Quasar-Samen produzieren.

Er fügte hinzu, dass es sich um eine Entdeckung handelt, die der Anzahl der bisher im frühen Universum beobachteten Quasare entspricht, und stellte fest, dass große Halos in dieser frühen Ära selten sind, ebenso wie Quasare.

Aber die neue Arbeit ist eine Simulation, und die Wissenschaftler wollen dann tatsächlich die Entstehung des frühen Quasar-Universums in freier Wildbahn überwachen. Neue Instrumente wie das James-Webb-Weltraumteleskop könnten dies relativ bald Wirklichkeit werden lassen.

„Webb wäre stark genug, um eines zu sehen“, sagte Dr. Wallen und beobachtete wahrscheinlich die Geburt von Schwarzen Löchern innerhalb von einer Million oder zwei Millionen Jahren nach dem Urknall.