Hogyan készítsünk fekete lyukat vékony levegőből

Hányféleképpen lehet elhagyni ezt az univerzumot?

Talán a leghíresebb rendező egy sztár halálával jár. 1939-ben a fizikus J. Robert Oppenheimer és tanítványa, Harlan Snyder, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemről felfedezték, hogy amikor egy kellően nagy tömegű csillag kifogy a termonukleáris üzemanyagból, befelé omlik, és örökre összeomlik, csökkentve a teret, időt és teret. A fény önmagát ma fekete lyuknak nevezi.

De kiderül, hogy egy fekete lyuk kialakításához nem feltétlenül szükséges egy halott csillag. Ehelyett, legalábbis a korai univerzumban, az ősgáz óriásfelhői közvetlenül fekete lyukakká omlhattak össze, megkerülve több millió éves sztárságukat.

Erre a kísérleti következtetésre jutott a közelmúltban csillagászok egy csoportja, akik az UHZ-1-et tanulmányozták, amely egy fényfolt nem sokkal az Ősrobbanás után keletkezett. Valójában az UHZ-1 egy erős kvazár, amely tüzet és röntgensugarakat lőtt ki egy szupermasszív fekete lyukból 13,2 milliárd évvel ezelőtt, amikor az univerzum még 500 millió éves sem volt.

Kozmológiai szempontból ez szokatlanul közel van, mivel egy szupermasszív fekete lyuk a csillagok összeomlása és egyesülése révén keletkezhet. Priyamvada Natarajan, a Yale Egyetem csillagásza és a könyv vezető szerzője Az Astrophysical Letters folyóiratban megjelent cikkKollégáival megerősítik, hogy az UHZ-1-ben egy új égi típust fedeztek fel, amelyet szupermasszív fekete lyukgalaxisnak vagy OBG-nek neveznek. Magában az OBG egy fiatal galaxis, amelyet egy fekete lyuk horgonyzott le, és amely nagyon gyorsan nagyra nőtt. .

Ennek a korai kvazárnak a felfedezése segíthet a csillagászoknak megoldani egy ezzel kapcsolatos rejtélyt, amely évtizedek óta zavarba ejti őket. Úgy tűnik, hogy a modern univerzumban szinte minden látható galaxis közepén egy szupermasszív fekete lyuk található, amely több millió milliárdszor akkora tömegű, mint a Nap. Honnan jöttek ezek a szörnyek? Lehetséges, hogy a közönséges fekete lyukak ilyen gyorsan növekedjenek?

Dr. Natarajan és munkatársai azt sugallják, hogy az UHZ-1 és talán sok szupermasszív fekete lyuk ősi felhőként indult. Lehetséges, hogy ezek a felhők olyan szemcsékké omlottak össze, amelyek idő előtt nehézkesek voltak, és elegendőek ahhoz, hogy megindítsák a hatalmas fekete lyukgalaxisok növekedését. Ez egy újabb emlékeztető, hogy az általunk látott univerzumot a sötétség láthatatlan geometriája irányítja.

„Az első OBG jelöltként az UHZ-1 meggyőző bizonyítékot szolgáltat a nehéz protomagok kialakulására a korai Univerzum közvetlen összeomlásából” – írta Dr. Natarajan és munkatársai. „Úgy tűnik, hogy a természet sokféleképpen hoz létre BH-magokat” – tette hozzá egy e-mailben – „a csillagok halálán túl!”

„Bria nagyon érdekes fekete lyukat talált, ha ez igaz” – mondta Daniel Holz, a Chicagói Egyetem teoretikusa, aki a fekete lyukakat tanulmányozza.

Hozzátette: „Egyszerűen túl nagy és túl korai. Mintha benéznénk egy óvodai tanterembe, és az 5 évesek között van egy 150 kilós és/vagy hat láb magas.

A történet szerint a csillagászok folyamatosan mesélik maguknak az univerzum evolúcióját, az első csillagokat, amelyek az Ősrobbanás után visszamaradt hidrogén- és héliumfelhőkből kondenzálódnak. Forrón és gyorsan égtek, gyorsan felrobbanva és összeomlva a Nap tömegénél 10-100-szoros fekete lyukakat képezve.

Az eónok során a korábbi csillagok hamvaiból egymást követő csillaggenerációk alakultak ki, gazdagítva az univerzum kémiáját. A halálukból visszamaradt fekete lyukak valamilyen módon tovább egyesültek és növekedtek, szupermasszív fekete lyukakat képezve a galaxisok középpontjában.

A két éve, idén karácsonykor felbocsátott James Webb űrteleszkóp ennek az ötletnek a tesztelésére készült. Ez a világűr legnagyobb tükre, 21 láb átmérőjű. A legfontosabb, hogy az univerzum legtávolabbi, tehát legrégebbi csillagainak fénye által kibocsátott infravörös hullámhosszok rögzítésére tervezték.

De miután az új távcső az ég felé mutatott, új galaxisokat láthatott, amelyek olyan masszívak és fényesek, hogy dacoltak a kozmológusok várakozásaival. Az elmúlt két évben viták dúltak arról, hogy ezek a megfigyelések valóban veszélyeztetik-e az univerzum egy régóta fennálló modelljét. A modell szerint az univerzum egy nyomnyi látható anyagból, elképesztő mennyiségű „sötét anyagból” áll, amely gravitációt biztosít a galaxisok összekapcsolásához, és „sötét energiából”, amely széttolja ezeket a galaxisokat.

Az UHZ-1 felfedezése inflexiós pontot jelent ezekben a vitákban. Dr. Natarajan csapata időt kért a NASA Chandra X-ray Obszervatóriumába, hogy felkészülhessen a James Webb Űrteleszkóppal a szobrász csillagképben található hatalmas galaxishalmaz jövőbeli megfigyelésére. A halmaz tömege gravitációs lencseként működik, felnagyítva a mögötte lévő tárgyakat térben és időben. A kutatók abban reménykedtek, hogy röntgenbepillantást kaphatnak arról, amit a lencse néz.

Amit találtak, az egy szupermasszív fekete lyuk által hajtott kvazár volt, amely körülbelül 40 milliószor nagyobb, mint a Nap tömege. A Webb teleszkóp további megfigyelései megerősítették, hogy 13,2 milliárd fényévnyire volt. (A szobrászhalmaz körülbelül 3,5 milliárd fényévnyire található.) Ez volt az univerzumban valaha felfedezett legtávolabbi és legrégebbi kvazár.

„Webre volt szükségünk, hogy megtaláljuk ezt a rendkívül távoli galaxist, és Chandra-ra, hogy megtaláljuk szupermasszív fekete lyukát” – mondta Akos Bogdan, a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ munkatársa egy sajtóközleményben. „Kihasználtuk a kozmikus nagyítót is, amely növelte az észlelt fény mennyiségét.”

Az eredmények azt mutatják, hogy szupermasszív fekete lyukak léteztek 470 millió évvel az Ősrobbanás után. Ez nem elég idő ahhoz, hogy a csillagok első generációja által létrehozott fekete lyukak – 10-100 naptömegig terjedjenek – ekkora méretűre növekedjenek.

Volt más módja a nagyobb fekete lyukak kialakulásának? 2017-ben Dr. Natarajan azt javasolta, hogy az ősgázfelhők összeomlása a Napnál 10 000-szer nagyobb tömegű fekete lyukakat szülhet.

„Ezután elképzelhető, hogy az egyikük később kinő, és létrejön ez a kicsi, korai nagy fekete lyuk” – mondta Dr. Holz. Ennek eredményeként megjegyezte: „Az univerzum történetének minden következő szakaszában mindig lesz néhány meglepően nagy fekete lyuk.”

„Az a tény, hogy ezek az objektumok hipermasszív életükből indulnak ki, azt jelenti, hogy végül szupermasszív fekete lyukakká fejlődnek” – mondta Dr. Natarajan. De senki sem tudja, hogyan működik ez. A fekete lyukak a korai UHZ-1 kvazár tömegének 10%-át teszik ki, míg a modern galaxisok, például a Messier 87 óriásgalaxis tömegének kevesebb mint ezrelékét teszik ki, amelynek fekete lyuk tömege 6,5 tömeg. Egymilliárd naptömeg volt, amikor a felvételt az Event Horizon Telescope készítette 2019-ben.

Ez arra utal, hogy a komplex környezeti visszacsatolások hatásai uralják e galaxisok és fekete lyukaik növekedését és fejlődését, aminek következtében nagyobb tömeg halmozódik fel csillagokban és gázokban.

„Valójában ezek a nagyon korai OBG-k több információt közvetítenek és világítanak meg a mag fizikájáról, nem pedig a későbbi növekedésről és fejlődésről” – mondta Dr. Natarajan. „Bár ennek fontos következményei vannak” – tette hozzá.

„Bizonyára nagyszerű lenne, ha kiderülne, hogy mi történik, de nem igazán tudom” – mondta Dr. Holz. „Lenyűgöző történet lesz, függetlenül attól, hogyan oldják meg a korai nagy fekete lyukak rejtélyét” – tette hozzá.