"Ingen har nogensinde forudsagt, at en enkelt kollapsende stjerne kunne producere et par sorte huller, som derefter smelter sammen." - Christian Reisswig
Sorte huller - massive genstande i rummet med tyngdekraften så stærke, at ikke engang lys kan undslippe dem - kommer i forskellige størrelser. I den mindre ende af skalaen er de sorte stjernemasse, der dannes under stjernernes død. I den større ende er supermassive sorte huller, der indeholder op til en milliard gange massen af vores sol. I løbet af milliarder af år kan små sorte huller langsomt vokse ind i den supermassive sort ved at tage på sig masse fra deres omgivelser og også ved at fusionere med andre sorte huller. Men denne langsomme proces kan ikke forklare problemet med supermassive sorte huller, der findes i det tidlige univers - sådanne sorte huller ville have dannet sig mindre end en milliard år efter Big Bang.
Nu kan nye fund fra forskere ved California Institute of Technology (Caltech) være med til at teste en model, der løser dette problem.
Denne video viser sammenbruddet af en hurtigt differentierende roterende supermassiv stjerne med en lille initial m = 2-tæthedsforstyrrelse. Stjernen er ustabil i tilstanden ikke-aksymmetrisk m = 2, kollapser og danner to sorte huller. De begynvende sorte huller efterfølgende inspirerer og smelter sammen under udsendelse af kraftig gravitationsstråling. Sammenbruddet accelereres af en ~ 0,25% reduktion i det adiabatiske indeks Gamma, motiveret af produktionen af elektron-positron-par ved høje temperaturer.
Visse modeller af supermassiv vækst i sort hul påkalder tilstedeværelsen af "frø" sorte huller, der er resultatet af dødsfald fra meget tidlige stjerner. Disse sorte sorte huller får masse og stiger i størrelse ved at opsamle materialerne omkring dem - en proces kaldet akkretion - eller ved at fusionere med andre sorte huller. ”Men i disse tidligere modeller var der simpelthen ikke nok tid til, at noget sort hul nåede en supermassiv skala, så kort efter universets fødsel,” siger Christian Reisswig, NASA Einstein postdoktor i Astrofysik ved Caltech og hovedforfatter af undersøgelse. ”Væksten af sorte huller til supermassiv skala i det unge univers synes kun mulig, hvis den” frø ”masse af det kollapsende objekt allerede var tilstrækkelig stor,” siger han.
For at undersøge oprindelsen af unge supermassive sorte huller vendte Reisswig i samarbejde med Christian Ott, assisterende professor i teoretisk astrofysik, og deres kolleger sig til en model, der involverede supermassive stjerner. Disse gigantiske, snarere eksotiske stjerner antages at have eksisteret i bare en kort tid i det tidlige univers. I modsætning til almindelige stjerner er supermassive stjerner stabiliseret mod tyngdekraften for det meste af deres egen fotonstråling.I en meget massiv stjerne skubber fotonstråling - den udadgående strøm af fotoner, der genereres på grund af stjernens meget høje indre temperaturer, gas fra stjernen udad i modsætning til tyngdekraften, der trækker gassen tilbage. Når de to kræfter er lige så kaldes denne balance hydrostatisk ligevægt.
I løbet af sin levetid afkøles en supermassiv stjerne langsomt på grund af energitab gennem udsendelse af fotonstråling. Når stjernen afkøles, bliver den mere kompakt, og dens centrale tæthed øges langsomt. Denne proces varer i et par millioner år, indtil stjernen har nået tilstrækkelig kompakthed til, at gravitationsinstabilitet kan sætte sig ind, og for at stjernen begynder at kollapse gravitationsmæssigt, siger Reisswig.
Tidligere undersøgelser forudsagde, at når supermassive stjerner kollapser, opretholder de en sfærisk form, der muligvis bliver fladet ud på grund af hurtig rotation. Denne form kaldes en akseymmetrisk konfiguration. Ved at inkorporere det faktum, at meget hurtigt roterende stjerner er tilbøjelige til små forstyrrelser, forudsagde Reisswig og hans kolleger, at disse forstyrrelser kunne få stjernerne til at afvige i ikke-aksymmetriske former under sammenbruddet. Sådanne oprindeligt små forstyrrelser ville vokse hurtigt, hvilket i sidste ende får gassen inde i den sammenbrudte stjerne til at klumpe sammen og danne fragmenter med høj densitet.
De forskellige stadier, der blev stødt på under sammenbruddet af en fragmenterende supermassiv stjerne. Hvert panel viser densitetsfordelingen i det ækvatoriale plan. Stjernen roterer så hurtigt, at konfigurationen ved sammenbruddets begyndelse (øverste venstre panel) er kvasi-toroid (den maksimale tæthed er offcentreret og frembringer således en ring med maksimal tæthed). Simuleringen slutter, efter at det sorte hul er slået ned (nederste højre panel). Kredit: Christian Reisswig / Caltech
Disse fragmenter ville kredse rundt om stjernen og blive stadig tættere, når de afhentede stof under sammenbruddet; de ville også stige i temperatur. Og så, siger Reisswig, "en interessant effekt går i gang." Ved tilstrækkelig høje temperaturer ville der være tilstrækkelig energi til rådighed til at matche elektroner og deres antipartikler eller positroner i det, der er kendt som elektron-positron-par. Oprettelsen af elektron-positronpar ville forårsage et tab af tryk og yderligere fremskynde sammenbruddet; som et resultat ville de to kredsende fragmenter i sidste ende blive så tæt, at der kunne dannes et sort hul ved hver klump. Paret med sorte huller kan derefter spiral omkring hinanden, før de smelter sammen til et stort sort hul. ”Dette er en ny konstatering,” siger Reisswig. "Ingen har nogensinde forudsagt, at en enkelt kollapsende stjerne kunne producere et par sorte huller, som derefter smelter sammen."
Reisswig og hans kolleger brugte supercomputere til at simulere en supermassiv stjerne, der er på randen af sammenbrud. Simuleringen blev visualiseret med en video lavet ved at kombinere millioner af punkter, der repræsenterer numeriske data om tæthed, gravitationsfelter og andre egenskaber ved de gasser, der udgør de sammenbrudte stjerner.
Selvom undersøgelsen involverede computersimuleringer og således er rent teoretisk, kan dannelsen og fusionen af par sorte huller i praksis give anledning til en enorm kraftig tyngdestråling - krusninger i rummet og tiden, når man rejser med lysets hastighed - er sandsynligvis synlig i udkanten af vores univers, siger Reisswig. Jordbaserede observatorier som Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ledsaget af Caltech, søger efter tegn på denne gravitationsstråling, som først blev forudsagt af Albert Einstein i hans generelle relativitetsteori; fremtidige rumbårne gravitationsbølgeobservatorier, siger Reisswig, vil være nødvendige for at registrere de typer af tyngdekraftsbølger, der vil bekræfte disse nylige fund.
Ott siger, at disse fund vil have vigtige konsekvenser for kosmologien. "Det udsendte gravitationsbølgesignal og dets potentielle detektion vil informere forskere om dannelsesprocessen for de første supermassive sorte huller i det stadig meget unge univers og kan afvikle nogle - og rejse nye - vigtige spørgsmål om vores universes historie," han siger.
Via CalTech