Az ősrobbanás után alig 700 millió évvel, amikor a Világegyetem még kisgyermek volt, már léteztek olyan szupernagy fekete lyukak, amelyek tömege egymilliárd naptömeg volt. Vajon hogy nőhettek meg ilyen gyorsan? Egy kutatócsoport számítógépes szimulációk segítségével járt utána, hogyan fejlődtek ki ilyen hamar ezek a sötét óriások.

Hogyan készítsünk szupernagy tömegű fekete lyukat?

A távoli galaxisok közepén lévő szupernagy tömegű fekete lyukakat és az azokat körülvevő akkréciós korongokat, amely látóirányunkban nagy energiát bocsátanak ki, kvazároknak nevezzük. Hogy miképpen jöttek létre kevesebb mint egymilliárd év alatt a kvazárokat tápláló szupernagy tömegű fekete lyukak, az még 20 évvel a felfedezésük után is az asztrofizika egy nagy kérdése. Ha szeretnénk egy egymilliárd naptömegű fekete lyukat gyártani, akkor először is szükségünk van egy csillagra – vagy legalábbis gázra, amiből a csillagok készülnek.

Bár a legkorábbi fekete lyukakat a Világegyetem első csillagai hozták létre, ezek a szupernagy tömegű fekete lyukakhoz képest viszonylag kicsik voltak, nagyjából száz naptömegűek. Talán az első csillagok csoportokba álltak össze, így amikor a fekete lyukak létrejöttek, azok összeolvadtak, majd később a még nagyobb fekete lyukak is összeolvadtak. A fekete lyuk-magvacskák még ekkor is csak 1000 és 10000 naptömeg közöttiek lehettek, tehát nagyon gyorsan kellett növekedniük, hogy rövid idő alatt szupernagy tömegre tegyenek szert.

Van azonban egy másik lehetőség is. Egyes csillagászok szerint a Világegyetem korai időszakában, amikor a gáz még sűrű volt, a gázfelhők képesek lehettek egyből szupernagy tömegű fekete lyukakká összeesni.

Az ilyen hatalmas összeomlásokra vonatkozó számítások viszont kényesek. Vajon mi akadályozza meg, hogy a gázfelhő kisebb részei kihűljenek és a saját súlyuk alatt összeessenek, ahogy a mai Univerzum csillagképző felhői szoktak?

Egyes csillagászok felvetették, hogy talán a közeli újszülött csillagok ultraibolya sugárzása melegítette fel a gázt, és tartotta túl melegen ahhoz, hogy részekre bomoljon. Mások szerint azonban az ilyen különleges körülmények túl ritkán fordulnak elő ahhoz, hogy megmagyarázzuk velük a fiatal Világegyetemben eddig felfedezett szupernagy tömegű fekete lyukak számát.

Tartsuk egyben!

Muhammed Latif (United Arab Emirates University), Daniel Whalen (Portsmouth University, UK) és munkatársaik a Nature című lapban amellett érveltek, hogy a nagy tömegű fekete lyukak ilyen speciális körülmények nélkül is kialakulhatnak.

Eredményeiket olyan számítógépes szimulációkra alapozzák, amelyekben felépítették a Világegyetem igen korai (kevesebb, mint 100 millió éves) feltételeit. Azért van szükség ezekre a szimulációkra, mert az első csillagoknak ezt a korszakát nem érhetjük el a meglévő távcsöveinkkel.

A szimuláció egy kis, kavargó anyagtenger növekedését követte nyomon, amelyet négy gázáram táplált. Bár az ilyen sűrűsödések gyakoriak lehettek a Világegyetemet kitöltő anyaghálóban, Whalen szerint az áramok szokatlanok, mert rengeteg gázt szállítottak. Ezek a gázáramok ráadásul nemcsak sűrűek voltak, de nagy volt a sebességük is, tette hozzá Latif. 50 kilométert is megtehettek másodpercenként, ami több, mint 100 ezer kilométer óránként, és évente 1–10 naptömegnyi anyagot szállítottak.

Gáz áramlik a kavargó anyagtengerbe, amelyben két nagy ősi fekete lyuk formálódik. (Forrás: Daniel Whalen (Portsmouth University, UK)

Az anyagáramok közötti tenger megnőtt, majd egy csomó alakult ki benne, aztán egy másik. A beáramló gáz turbulenciája megakadályozta, hogy a hatalmas csomók azonnal csillagokká omoljanak össze, ezért tovább növekedtek. A szimuláció végére – 1,4 millió évvel később – több tízezer naptömegnyi anyagot tartalmaztak.

A csomók végül összesűrűsödve szupernagy tömegű csillagokká váltak. Ezek fejlődésének követéséhez egy másfajta számítógépes szimulációra van szükség, amely a csillagfizikát is számításba veszi. A két csillagmonstrum ebben a szimulációban nem tart ki sokáig: 30 ezer, illetve 40 ezer naptömegű fekete lyukakká omlanak össze.

Az ilyen nagy tömegű magok könnyen szednek magukra még több gázt, és nőnek olyan sötét behemótokká, amelyeket ismerünk. Bár a most vizsgált összefolyások ritkák, a kutatók úgy becsülik, hogy elég gyakran előfordulhattak ahhoz, hogy magyarázatot adjanak a megfigyelésekre.

„A tanulmányban feltárt, hideg áramlásokkal teli új környezet nagyon izgalmas, mivel úgy tűnik, természetes utat biztosít a hatalmas fekete lyuk-kezdemények kialakulásához.” – mondja Priya Natarajan (Yale).

De nem ez az egyetlen forgatókönyv, amely közvetlenül összeomláshoz vezet, figyelmeztet a kutató. Priya Natarajan, aki nem vett részt a kutatásban, egy másik forgatókönyvet vizsgált meg még 2014-ben, és megállapította, hogy egy sűrű csillaghalmaz hasonlóképpen lehetővé teszi az összeomlást. „Végeredményképpen több út is létezik a fekete lyukak gyors növekedésére, és nagy tömegű feketelyuk-kezdemények kialakulására a Világegyetem korai időszakában.”

A nemrég munkába állt James Webb-űrtávcső megfigyelései segíthetnek majd eldönteni, hogy melyik a helyes forgatókönyv. A Webb nem lesz képes magukat a szupernagy tömegű csillagokat detektálni, de lehetséges, hogy észlelhet olyan fekete lyuk-kezdeményeket, amelyek még növekedtek, amikor a Világegyetem 200 millió évnél fiatalabb volt.

Forrás: Sky&Telescope