Illustratie van het vroege heelal. Afbeelding tegoed: NASA. Klik om te vergroten.
Het begon allemaal lang geleden, toen het universum nog heel jong was. De vroegste massieve kwekersterren stoeiden in hun jeugd - spinnen en spartelen tussen rijke groene grassen van nieuw materiaal. Naarmate hun toegewezen tijd verstreek, kookten nucleaire motoren uit uitgestrekte stromen hete waterstof en heliumgas, waardoor de interstellaire media werden verrijkt. Tijdens deze fase vormden superzware sterclusters zich in kleine zakjes in de buurt van ontluikende galactische kernen - elke cluster zwemt in kleine gebieden van primordiale mini-halo-materie.
Toen ze hun cyclus voltooiden, explodeerden de vroegste sterren van de ster en spoten zware atomen uit. Maar voordat er teveel zware materie in het heelal was verzameld, groeiden de vroegste zwarte gaten snel door wederzijdse assimilatie en verzamelden ze voldoende zwaartekrachtinvloed om "Goldilocks" -gassen van precieze temperaturen en samenstelling naar grote brede aanwasschijven te trekken. Deze superkritische groeifase heeft de vroegste massieve zwarte gaten (MBH's) snel volwassen gemaakt tot de status van superzwaar zwart gat (SMBH). Hieruit vestigden de vroegste quasars zich in de gefuseerde mini-halo's van talrijke protogalaxieën.
Dit beeld van vroege quasarvorming kwam voort uit een recent artikel (gepubliceerd op 2 juni 2005) getiteld "Rapid Growth of High Redshift Black Holes", geschreven door Cambridge UK Cosmologen Martin J. Rees en Marta Volonteri. Die studie behandelt de mogelijkheid dat een kort venster van snelle SMBH-vorming opende na de tijd van universele transparantie, maar voordat gassen in de interstellaire media volledig opnieuw geïoniseerd werden door stellaire straling en door supernovae bezaaid met zware metalen. Het Rees-Volonteri-model probeert feiten te verklaren die uit de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) -dataset komen. Tegen 1 miljard jaar na de oerknal waren er al veel zeer stralende quasars gevormd. Elk met SMBH's met een massa van meer dan 1 miljard zonnen. Deze waren voortgekomen uit "zaadzwarte gaten" - gravitationele sintels die achterbleven na de eerste cyclus van ineenstorting van supernovae tussen de eerste massieve galactische clusters. Tegen een miljard jaar na de oerknal was het bijna voorbij. Hoe kon zoveel massa zo snel condenseren in zulke kleine gebieden van de ruimte?
Volgens Volontari en Rees, "Om zulke zaden tot 1 miljard zonsmassa te laten groeien, is een bijna continue aangroei van gas nodig ..." Het tegenwerken van een dergelijke hoge aanwassnelheid is het feit dat straling van materie die in een zwart gat valt, doorgaans een snelle compensatie vormt " gewichtstoename". De meeste modellen van SMBH-groei laten zien dat ongeveer 30% van de massa die naar een tussenliggend (massief - niet superzwaar) zwart gat valt, wordt omgezet in straling. Het effect hiervan is tweeledig: materie die anders de MBH zou voeden, gaat verloren aan straling, en de uitgaande stralingsdruk onderdrukt de opmars van extra materie naar binnen om snelle groei te voeden.
De sleutel tot het begrijpen van snelle SMBH-formatie ligt in de mogelijkheid dat vroege aanwasschijven rond MBH's niet zo optisch dicht waren als nu - maar 'dik' met fijn verdeelde materie. Onder dergelijke omstandigheden heeft straling een breder gemiddeld vrij pad en kan het voorbij schijven ontsnappen zonder de inwaartse beweging van materie te belemmeren. Brandstof die het hele SMBH-groeiproces aandrijft, wordt overvloedig in de horizon van het zwarte gat-evenement geleverd. Ondertussen was het type materie dat aanwezig was in het vroegste tijdperk voornamelijk monatomische waterstof en helium - niet het soort zware metaalrijke accretieschijven van een later tijdperk. Dit alles suggereert dat vroege MBH's snel zijn opgegroeid, wat uiteindelijk verantwoordelijk is voor de vele volledig volwassen quasars in de SDSS-dataset. Dergelijke vroege MBH's moeten massa-energieconversieratio's hebben gehad die typischer zijn voor volledig volwassen SMBH's dan de MBH's van vandaag.
Volontari en Rees zeggen dat eerdere onderzoekers hebben aangetoond dat volledig ontwikkelde "quasars een massa-energie-conversie-efficiëntie hebben van ongeveer 10% ..." Het paar waarschuwt echter dat deze massa-energie-conversiewaarde voortkomt uit studies van quasars uit een latere periode in Universal expansie en dat 'er niets bekend is over de stralingsefficiëntie van pregalactische quasars in het vroege heelal'. Om deze reden "is het beeld dat we hebben van het lage roodverschuivingsuniversum mogelijk niet eerder van toepassing." Het was duidelijk dat het vroege heelal voller was met materie, dat materie een hogere temperatuur had en dat er een hogere verhouding van niet-metalen tot metalen was. Al deze factoren zeggen dat het bijna ieders beste schatting is van de efficiëntie van massa-energieconversie van vroege MBH's. Aangezien we nu moeten verklaren waarom er zoveel SMBH's bestaan onder vroege quasars, is het logisch dat Volontari en Rees wat ze weten van de huidige accretieschijven gebruiken als een middel om uit te leggen hoe dergelijke schijven in het verleden mogelijk anders waren.
En het waren de vroegste tijden - voordat straling van talloze sterren opnieuw geïoniseerde gassen binnen de interstellaire media vormde - omstandigheden die rijp waren voor snelle SMBH-vorming. Dergelijke omstandigheden hebben mogelijk minder dan 100 miljoen jaar geduurd en vereisten een goed evenwicht in de temperatuur, dichtheid, distributie en samenstelling van materie in het heelal.
Om een compleet beeld te krijgen (zoals geschilderd in het papier), beginnen we met het idee dat het vroege universum werd bevolkt door ontelbare mini-halo's bestaande uit donkere en baryonische materie met zeer massieve maar buitengewoon dichte sterrenhopen in hun midden. Vanwege de dichtheid van deze sterrenhopen - en de massaliteit van de sterren waaruit ze bestaan - ontwikkelden supernova's zich snel om talloze 'zaadzwarte gaten' voort te brengen. Deze zaad-BH's versmolten tot enorme zwarte gaten. Ondertussen brachten zwaartekrachten en echte bewegingen de verschillende mini-halo's snel bij elkaar. Hierdoor ontstonden steeds grotere halo's die MBH's konden voeden.
In het vroege heelal nam materie rond MBH's de vorm aan van enorme metaalarme sferoïden van waterstof en helium met een gemiddelde temperatuur van ongeveer 8000 graden Kelvin. Bij zulke hoge temperaturen blijven atomen geïoniseerd. Door ionisatie waren er weinig elektronen geassocieerd met atomen die als fotonenvallen dienden. De effecten van stralingsdruk namen af tot het punt waarop materie gemakkelijker in een horizon van zwarte gaten viel. Ondertussen verstrooien vrije elektronen zelf licht. Een deel van dat licht straalt daadwerkelijk terug naar de accretieschijf en een andere massabron - in de vorm van energie - voedt het systeem. Ten slotte betekent een tekort aan zware metalen - zoals zuurstof, koolstof en stikstof - dat monotomische atomen heet blijven. Want als de temperaturen onder de 4.000 graden K dalen, worden de atomen gedeïoniseerd en worden ze opnieuw onderhevig aan stralingsdruk, waardoor de flux van verse materie die in de horizon van de BH-gebeurtenis valt, afneemt. Al deze puur fysische eigenschappen hadden de neiging de massa-energie-efficiëntieverhoudingen te verlagen, waardoor MBH's snel op gewicht konden komen.
Terwijl de mini-halo's samenvloeiden, condenseerde hete baryonische materie tot enorme "dikke" schijven - niet de dunne ringen die tegenwoordig rond de SMBH's worden gezien. Dit kwam omdat halo-materie zelf de snelgroeiende MBH's volledig omringde. Deze bolvormige verdeling van materie zorgde voor een constante bron van verse, hete, maagdelijke materie om de accretieschijf vanuit verschillende hoeken te voeden. Dikke schijven betekenden grotere hoeveelheden materie bij een lagere optische dichtheid. Opnieuw slaagde de materie erin te voorkomen dat ze "met zonne-energie" naar buiten werd gebracht weg van de opdoemende krop van de MBH en daalden de massa-energieconversieratio's.
Beide factoren - dikke schijven en geïoniseerde atomen met een lage massa - zeggen dat MBH's tijdens de gouden eeuw van een vroeg groen heelal snel opgroeiden. Binnen een miljard jaar na de oerknal waren ze neergestreken in een relatief stille volwassenheid, die materie efficiënt omzet in licht en dat licht over uitgestrekte tijd- en ruimtegebieden wierp tot een potentieel steeds groter wordend universum.
Geschreven door Jeff Barbour
