Wat voedde vroege zwarte gaten waardoor hun zeer snelle groei mogelijk werd? Een nieuwe ontdekking door onderzoekers van Carnegie Mellon University met een combinatie van supercomputersimulaties en GigaPan Time Machine-technologie toont aan dat een dieet van kosmisch 'fast food' (dunne stromen koud gas) ongecontroleerd in het midden van de eerste zwarte gaten stroomde, waardoor ze worden "supergroot" en groeien sneller dan al het andere in het heelal.
Toen ons heelal jong was, minder dan een miljard jaar na de oerknal, begonnen sterrenstelsels zich pas te vormen en te groeien. Volgens eerdere theorieën hadden zwarte gaten in die tijd even klein moeten zijn. Gegevens van de Sloan Digital Sky Survey hebben het tegendeel aangetoond: superzware zwarte gaten bestonden al 700 miljoen jaar na de oerknal.
“De Sloan Digital Sky Survey vond superzware zwarte gaten op minder dan 1 miljard jaar. Ze waren even groot als de grootste zwarte gaten van vandaag, die 13,6 miljard jaar oud zijn '', zegt Tiziana Di Matteo, universitair hoofddocent natuurkunde (Carnegie Mellon University). 'Het was een puzzel. Waarom ontstaan sommige zwarte gaten zo vroeg als het de hele leeftijd van het heelal duurt voordat anderen dezelfde massa bereiken? '
Superzware zwarte gaten zijn de grootste zwarte gaten die er bestaan - met een massa van miljarden keren die van de zon. De meeste 'normale' zwarte gaten zijn slechts ongeveer 30 keer zo zwaar als de zon. Het momenteel geaccepteerde mechanisme voor de vorming van superzware zwarte gaten is via galactische fusies. Een probleem met deze theorie en hoe deze van toepassing is op vroege superzware zwarte gaten is dat er in het vroege heelal niet veel sterrenstelsels waren en dat ze te ver van elkaar verwijderd waren om samen te voegen.
Rupert Croft, universitair hoofddocent natuurkunde (Carnegie Mellon University), merkte op: "Als je de vergelijkingen schrijft voor hoe sterrenstelsels en zwarte gaten zich vormen, lijkt het niet mogelijk dat deze enorme massa's zo vroeg kunnen ontstaan. Maar we kijken naar de lucht en daar zijn ze."
In een poging de processen te begrijpen die de vroege superzware zwarte gaten vormden, creëerden Di Matteo, Croft en Khandai MassiveBlack - de grootste kosmologische simulatie tot nu toe. Het doel van MassiveBlack is om de eerste miljard jaar van ons universum nauwkeurig te simuleren. Di Matteo beschreef MassiveBlack als volgt: “Deze simulatie is echt gigantisch. Het is het grootste wat betreft het niveau van de fysica en het werkelijke volume. We deden dat omdat we geïnteresseerd waren in het kijken naar zeldzame dingen in het universum, zoals de eerste zwarte gaten. Omdat ze zo zeldzaam zijn, moet je over een groot volume aan ruimte zoeken ”.
Croft en het team begonnen de simulaties met behulp van bekende modellen van kosmologie gebaseerd op theorieën en wetten van de moderne natuurkunde. "We hebben niets geks erin gestopt. Er is geen magische fysica, geen extra spullen. Het is dezelfde fysica die sterrenstelsels vormt in simulaties van het latere universum, 'zei Croft. 'Maar op magische wijze verschijnen deze vroege quasars, net als waargenomen,. We wisten niet dat ze zouden komen opdagen. Het was geweldig om hun massa te meten en ‘Wow! Dit zijn precies de juiste maat en verschijnen precies op het juiste moment in de tijd. ’Het is een succesverhaal voor de moderne theorie van de kosmologie."
De gegevens van MassiveBlack zijn toegevoegd aan het GigaPan Time Machine-project. Door de MassiveBlack-gegevens te combineren met het GigaPan Time Machine-project, konden onderzoekers de simulatie bekijken alsof het een film was - gemakkelijk pannen door het gesimuleerde universum terwijl het zich vormde. Toen het team gebeurtenissen opmerkte die interessant leken, konden ze ook inzoomen om de gebeurtenissen gedetailleerder te bekijken dan wat ze in ons eigen universum konden zien met grond- of ruimtetelescopen.
Toen het team inzoomde op het creëren van de eerste superzware zwarte gaten, zagen ze iets onverwachts. Normale waarnemingen tonen aan dat wanneer koud gas naar een zwart gat stroomt, het wordt verwarmd door botsingen met andere nabijgelegen gasmoleculen en vervolgens afkoelt voordat het het zwarte gat binnengaat. Bekend als 'schokverwarming', had het proces moeten voorkomen dat vroege zwarte gaten de waargenomen massa's bereikten. In plaats daarvan observeerde het team dunne stromen koud, dicht gas die langs 'filamenten' stroomden, zoals te zien is in grootschalige onderzoeken die de structuur van ons universum onthullen. De filamenten zorgden ervoor dat het gas met ongelooflijke snelheid rechtstreeks naar het midden van de zwarte gaten stroomde, waardoor ze koud, snel voedsel kregen. De gestage, maar ongecontroleerde consumptie bood een mechanisme waardoor de zwarte gaten veel sneller konden groeien dan hun gaststelsels.
De bevindingen worden gepubliceerd in de Astrophysical Journal Letters.
Als je meer wilt lezen, bekijk dan de onderstaande artikelen (via Physics arXiv):
Terapixel-beeldvorming van kosmologische simulaties
De vorming van sterrenstelsels die z ~ 6 quasars hosten
Vroege zwarte gaten in kosmologische simulaties
Cold Flows en de eerste quasars
Lees meer over Gigapan en MassiveBlack op: http://gigapan.org/gigapans/76215/ en http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Bron: Carnegie Mellon University Press Release
