Het is een van de puzzels van kosmologie en stellaire evolutie: hoe werden superzware zwarte gaten zo ... nou, superzwaar ...in het vroege heelal, terwijl er schijnbaar nog niet genoeg tijd was verstreken om hun massa te verzamelen door alleen gestage aanwasprocessen? Het kost even tijd om een miljard zonsmassa materie op te eten, zelfs met een gezonde eetlust en veel binnen het bereik van de zwaartekracht. Maar toch zijn ze er: monsterzwarte gaten komen vaak voor in enkele van de verste melkwegstelsels en pronken met hun vroegrijpe groei, zelfs toen het universum net zijn miljardste verjaardag vierde.
Recente bevindingen van onderzoekers van Caltech suggereren nu dat deze oude KMO's werden gevormd door de dood van bepaalde soorten oerreuzen, exotische stellaire dinosaurussen die groot werden en jong stierven. Tijdens hun gewelddadige ineenstorting niet slechts één maar twee er worden zwarte gaten gevormd, die elk hun eigen massa verzamelen voordat ze uiteindelijk samenkomen in een enkel superzwaar monster.
Bekijk een simulatie en ontdek hieronder hoe dit gebeurt:
Uit een Caltech-nieuwsartikel van Jessica Stoller-Conrad:
Om de oorsprong van jonge superzware zwarte gaten te onderzoeken, wendden Christian Reisswig, NASA Einstein Postdoctoral Fellow in Astrophysics bij Caltech en Christian Ott, assistent-professor theoretische astrofysica zich tot een model met superzware sterren. Er wordt verondersteld dat deze gigantische, nogal exotische sterren slechts een korte tijd in het vroege heelal hebben bestaan.
Lees meer: Hoe worden zwarte gaten super massief?
In tegenstelling tot gewone sterren worden superzware sterren door hun eigen fotonenstraling meestal tegen de zwaartekracht gestabiliseerd. In een zeer massieve ster duwt fotonenstraling - de buitenwaartse flux van fotonen die wordt gegenereerd als gevolg van de zeer hoge binnentemperaturen van de ster - gas van de ster naar buiten in tegenstelling tot de zwaartekracht die het gas weer naar binnen trekt.
Tijdens zijn leven koelt een superzware ster langzaam af door energieverlies door de emissie van fotonenstraling. Naarmate de ster afkoelt, wordt hij compacter en neemt de centrale dichtheid langzaam toe. Dit proces duurt een paar miljoen jaar totdat de ster voldoende compact is geworden om door de zwaartekracht instabiel te worden en de ster zwaartekracht begint in te storten.
Eerdere studies voorspelden dat wanneer superzware sterren instorten, ze een bolvorm behouden die mogelijk afgevlakt wordt door snelle rotatie. Deze vorm wordt een asymmetrische configuratie genoemd. Reisswig en zijn collega's voorzagen dat zeer snel ronddraaiende sterren vatbaar zijn voor kleine verstoringen, en voorspelden dat deze verstoringen de sterren zouden kunnen doen afwijken inniet-axisymmetrische vormen tijdens het instorten. Dergelijke aanvankelijk kleine verstoringen zouden snel groeien, waardoor het gas in de instortende ster uiteindelijk zou gaan klonteren en fragmenten met hoge dichtheid zou vormen.
"De groei van zwarte gaten tot superzware schalen in het jonge universum lijkt alleen mogelijk als de 'zaad'-massa van het instortende object al voldoende groot was."
- Christian Reisswig, NASA Einstein Postdoctoral Fellow bij Caltech
Deze fragmenten zouden om het centrum van de ster cirkelen en steeds dichter worden naarmate ze tijdens de ineenstorting materie oppikten; ze zouden ook in temperatuur stijgen. En dan, zegt Reisswig, "ontstaat er een interessant effect." Bij voldoende hoge temperaturen zou er voldoende energie beschikbaar zijn om elektronen en hun antideeltjes of positronen aan elkaar te koppelen in zogenaamde elektronen-positronenparen. De vorming van elektronen-positronparen zou drukverlies veroorzaken, waardoor de ineenstorting verder zou worden versneld; als resultaat zouden de twee baanfragmenten uiteindelijk zo dicht worden dat er bij elke klomp een zwart gat zou kunnen ontstaan. Het paar zwarte gaten kan dan om elkaar heen draaien voordat het samensmelt tot één groot zwart gat.
'Dit is een nieuwe bevinding', zegt Reisswig. 'Niemand heeft ooit voorspeld dat een enkele instortende ster een paar zwarte gaten zou kunnen produceren die vervolgens zouden versmelten.'
Deze bevindingen zijn gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven de week van 11 oktober. Bron: Caltech nieuwsartikel door Jessica Stoller-Conrad.
