Hoe werden de eerste superzware zwarte gaten van het heelal gevormd? Een nieuw model van de evolutie van sterrenstelsels en zwarte gaten toont aan dat botsingen aantonen dat botsende sterrenstelsels waarschijnlijk zwarte gaten hebben voortgebracht die zich ongeveer 13 miljard jaar geleden hebben gevormd. De ontdekking vult een ontbrekend hoofdstuk in de vroege geschiedenis van ons universum in en zou kunnen helpen bij het schrijven van het volgende hoofdstuk - waarin wetenschappers beter begrijpen hoe zwaartekracht en donkere materie het universum vormden zoals we het kennen.
Na de recente ontdekking dat sterrenstelsels veel eerder in de geschiedenis van het universum zijn ontstaan dan eerder werd gedacht, creëerden Stelios Kazantzidis van de Ohio State University en zijn team nieuwe computersimulaties die aantonen dat de allereerste supergrote zwarte gaten waarschijnlijk werden geboren toen die vroege sterrenstelsels in botsing kwamen en samengevoegd. Dit gebeurde waarschijnlijk in de eerste paar miljard jaar na de oerknal.
"Onze resultaten voegen een nieuwe mijlpaal toe aan het belangrijke besef van hoe structuur zich vormt in het universum", zei Kazantzidis.
Eerder dachten astronomen dat sterrenstelsels hiërarchisch evolueerden, waar de zwaartekracht eerst kleine stukjes materie samenbracht, en die kleine stukjes kwamen geleidelijk samen om grotere structuren te vormen.
Maar de nieuwe modellen zetten dat idee op zijn kop.
"Samen met deze andere ontdekkingen laat ons resultaat zien dat grote structuren - zowel sterrenstelsels als enorme zwarte gaten - zich snel opbouwen in de geschiedenis van het universum", zei hij. “Verbazingwekkend genoeg is dit in strijd met hiërarchische structuurvorming. De paradox is opgelost zodra men beseft dat donkere materie hiërarchisch groeit, maar gewone materie niet. De normale materie waaruit zichtbare sterrenstelsels en super-massieve zwarte gaten bestaan, stort efficiënter in, en dit gold ook toen het heelal nog heel jong was, wat leidde tot anti-hiërarchische vorming van sterrenstelsels en zwarte gaten. ”
Dat betekent dus dat grote sterrenstelsels en super-massieve zwarte gaten snel samenkomen, en kleinere stukjes zoals ons eigen Melkwegstelsel - en het relatief kleine zwarte gat in het midden - langzamer vormen. De sterrenstelsels die die eerste superzware zwarte gaten vormden, zijn er nog steeds, zei Kazantzidis.
De nieuwe simulaties op supercomputers waren in staat om functies op te lossen die 100 keer kleiner waren, en onthulden details in het hart van de samengevoegde sterrenstelsels op een schaal van minder dan een lichtjaar.
Hierdoor konden de astronomen twee dingen zien: ten eerste condenseerden gas en stof in het midden van de sterrenstelsels tot een strakke kernschijf. Toen werd de schijf onstabiel en het gas en stof samentrokken weer, om een nog dichtere wolk te vormen die uiteindelijk een supergroot zwart gat voortbracht.
De implicaties voor de kosmologie zijn verreikend, zei Kazantzidis.
"Zo zal het standaardidee - dat de eigenschappen van een sterrenstelsel en de massa van het centrale zwarte gat met elkaar in verband staan omdat de twee parallel groeien - herzien moeten worden. In ons model groeit het zwarte gat veel sneller dan de melkweg. Het kan dus zijn dat het zwarte gat helemaal niet wordt gereguleerd door de groei van de melkweg. Het kan zijn dat de melkweg wordt gereguleerd door de groei van het zwarte gat. '
Dit nieuwe model zou ook astronomen kunnen helpen die het luchtruim doorzoeken naar direct bewijs van Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie: zwaartekrachtgolven.
Volgens algemene relativiteit zouden fusies van oude melkwegstelsels enorme zwaartekrachtgolven hebben veroorzaakt - rimpelingen in het ruimte-tijd-continuüm - waarvan de overblijfselen vandaag nog steeds zichtbaar zouden moeten zijn.
Nieuwe gravitatiegolfdetectoren, zoals NASA's Laser Interferometer Space Antenna, zijn ontworpen om deze golven direct te detecteren en een nieuw venster te openen naar astrofysische en fysieke verschijnselen die niet op andere manieren kunnen worden bestudeerd.
Wetenschappers zullen moeten weten hoe super-massieve zwarte gaten zich in het vroege heelal hebben gevormd en hoe ze tegenwoordig in de ruimte worden verdeeld om de resultaten van die experimenten te interpreteren. De nieuwe computersimulaties zouden een aanwijzing moeten geven.
Zie deze link voor video's van de modellen van botsingen van sterrenstelsels.
Bron: Ohio State University
