Astronomen hebben een aantal extreem oude superzware zwarte gaten gevonden, die zich vormden toen het heelal nog vrij jong was. Maar ze waren verbaasd over hoe een zwart gat zo groot kon worden toen het heelal zelf nog maar een peuter was.
Astronomen hebben nu ontdekt dat er een unieke reeks omstandigheden aanwezig was die een half miljard jaar na de oerknal aanwezig waren, waardoor deze monsterzwarte gaten zich konden vormen. Een ongebruikelijke bron van intense straling creëerde zogenaamde "directe ineenstorting zwarte gaten".
"Het is een kosmisch wonder", zei Volker Bromm van de Universiteit van Texas in Austin, die met verschillende astronomen aan de bevinding werkte. "Het is de enige keer in de geschiedenis van het universum wanneer de omstandigheden precies goed zijn om ze te vormen."
Het conventionele begrip van hoe zwarte gaten zich vormen, wordt de accretietheorie genoemd, waarbij een extreem massieve ster instort en zwarte gaten 'zaden' worden opgebouwd door instorting door gas uit hun omgeving op te trekken en door samenvoeging van kleinere zwarte gaten. Maar dat proces duurt lang, veel langer dan de tijd dat deze snel vormende zwarte gaten er waren. Bovendien beschikte het vroege universum niet over de hoeveelheden gas en stof die nodig waren om superzware zwarte gaten tot hun gigantische omvang te laten groeien.
De nieuwe bevindingen suggereren in plaats daarvan dat enkele van de eerste zwarte gaten zich direct vormden toen een gaswolk instortte en alle andere tussenfasen, zoals de vorming en daaropvolgende vernietiging van een massieve ster, omzeilen.
Natuurlijk zijn deze zwarte gaten, zoals bij elk zwart gat, niet te zien. Maar er waren sterke bewijzen voor hun bestaan, omdat ze nodig zijn om de zeer lichtgevende quasars die in het jonge universum worden gedetecteerd, van stroom te voorzien. De grote helderheid van een quasar komt van materie die in een superzwaar zwart gat spiraalt en tot miljoenen graden verhit, waardoor stralen ontstaan die als bakens in het hele universum schijnen. Maar aangezien de accretietheorie geen verklaring is voor superzware zwarte gaten in een extreem ver - en dus jong - universum, konden astronomen de quasars ook niet verklaren. Dit wordt "het quasarzaadprobleem" genoemd.
"De quasars die in het vroege universum werden waargenomen, lijken op gigantische baby's in een verloskamer vol met normale baby's", zegt Avi Loeb van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, die met Bromm werkte. 'Je blijft je afvragen: wat is er speciaal aan de omgeving die deze gigantische baby's voedde? Meestal wordt het koude gasreservoir in nabijgelegen sterrenstelsels zoals de Melkweg voornamelijk verbruikt door stervorming. ”
Maar in 2003 kwamen Bromm en Loeb met een theoretisch idee om een vroege melkweg een superzwaar zaadzwart gat te laten vormen door de anderszins belemmerende energie-input van stervorming te onderdrukken. Ze noemden het proces 'directe ineenstorting'.
'Begin met een' oerwolk van waterstof en helium, overgoten in een zee van ultraviolette straling ', zei Bromm. 'Je knarst deze wolk in het zwaartekrachtsveld van een halo met donkere materie. Normaal gesproken zou de wolk kunnen afkoelen en fragmenteren om sterren te vormen. De ultraviolette fotonen houden het gas echter heet en onderdrukken zo eventuele stervorming. Dit zijn de gewenste, bijna wonderbaarlijke omstandigheden: instorten zonder fragmentatie! Naarmate het gas steeds compacter wordt, heb je uiteindelijk de voorwaarden voor een enorm zwart gat. ”
Deze set van kosmische omstandigheden lijkt alleen in het zeer vroege heelal te hebben bestaan, en dit proces vindt tegenwoordig niet plaats in sterrenstelsels.
Om hun theorie te testen, zijn Bromm, Loeb en hun collega Aaron Smith begonnen met het bestuderen van een sterrenstelsel genaamd CR7, geïdentificeerd door een Hubble Space Telescope-enquête genaamd COSMOS als rond de 1 miljard jaar na de oerknal.
David Sobral van de Universiteit van Lissabon had vervolgwaarnemingen van CR7 gedaan met enkele van 's werelds grootste telescopen op de grond, waaronder Keck en de VLT. Deze ontdekten enkele uiterst ongebruikelijke kenmerken in de lichte signatuur afkomstig van CR7. In het bijzonder was de Lyman-alpha-waterstoflijn meerdere malen helderder dan verwacht. Opmerkelijk was dat het spectrum ook een ongewoon heldere heliumlijn vertoonde.
"Wat deze bron ook aandrijft, het is erg heet - heet genoeg om helium te ioniseren", zei Smith, ongeveer 100.000 graden Celsius.
Deze en andere ongebruikelijke kenmerken in het spectrum betekenden dat het ofwel een cluster van oersterren zou kunnen zijn of een superzwaar zwart gat dat waarschijnlijk zou zijn ontstaan door directe ineenstorting.
Smith voerde simulaties uit voor beide scenario's en hoewel het scenario van de sterrenhoop "spectaculair mislukte", zei Smith, presteerde het model met zwarte ineenstorting direct goed.
Eerder dit jaar gebruikten onderzoekers ook gecombineerde gegevens van de Chandra X-ray Observatory, Hubble Space Telescope en Spitzer Space Telescope om deze mogelijke zwart gatzaden te identificeren. Ze vonden twee objecten, die beide overeenkwamen met het theoretische profiel in de infraroodgegevens. (lees hun paper hier.)
Het lijkt erop dat astronomen 'convergeren naar dit model', zei Smith, voor het oplossen van het quasarzaadprobleem en het vroege raadsel van het zwarte gat.
Blijf kijken.
Het werk van Bromm, Loeb en Smith wordt gepubliceerd in het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Bronnen:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Persbericht voor NASA's detectie van directe ineenstorting van zwarte gaten eerder dit jaar.
