Hvor kommer de fra, disse forførende singulariteter, der ryster astrofysikere – og resten af os. Selvfølgelig forstår vi processerne bag stjernemasse sorte huller , og hvordan de dannes fra en stjernes gravitationssammenbrud.
Men hvad med de svimlende giganter i centrum af galakser, de supermassive sorte huller (SMBH), der kan vokse til at blive milliarder af gange mere massive end vores sol?
Hvordan bliver de så store?
Det er ret tydeligt, at SMBH'er ikke starter så massivt. De skal vokse. Og i store træk er der kun to måder, der kan ske: En massiv stamstjerne dannes, den over tid gennem fusioner og forbrug bliver massiv nok til en dag at være en SMBH.
Problemet er, at undersøgelser viser, at betingelserne for dannelsen af disse massive stamfædre er sjældne, og de kan ikke forklare det store antal SMBH'er, astronomer ser derude: en i midten af hver stor galakse.
Forfatterne af et nyt papir tror, de har fundet ud af det ved at bruge en kraftfuld supercomputer.
'Vores nye model er i stand til at forklare oprindelsen af flere sorte huller end de tidligere undersøgelser...'
Kazuyuki Omukai, medforfatter, Tohoku University
Avisen har titlen ' Supermassiv stjernedannelse via super konkurrencedygtig tilvækst i let metalberigede skyer. Hovedforfatter af papiret er Sunmyon Chon, en postdoktor ved Japan Society for Promotion of Science og Tohoku University. Papiret er offentliggjort i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Et af problemerne med supermassive sorte huller er, at der er så mange af dem. Astronomer er ret sikre på, at der er en i centrum af alle store galakser. Hvordan går vi fra en kollapset stjerne til noget så ekstraordinært massivt?
NASAs Spitzer-rumteleskop fangede dette fantastiske infrarøde billede af centrum af Mælkevejsgalaksen, hvor det sorte hul Sagitarrius A* befinder sig. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Forfatterne af denne nye undersøgelse antyder, at stjernerne, der er forløbere for SMBH'er, kan dannes under et bredere sæt af forhold end tidligere antaget. Deres teori siger, at disse forløberstjerner vokser ikke kun ved at samle interstellar gas, men også ved at sluge andre, mindre stjerner.
'Vores nye model er i stand til at forklare oprindelsen af flere sorte huller end de tidligere undersøgelser, og dette resultat fører til en samlet forståelse af oprindelsen af supermassive sorte huller,' siger Kazuyuki Omukai, medforfatter til undersøgelsen og professor ved Tohoku Universitet.
Det hele starter i massive skyer af interstellar gas. Inde i disse skyer kan massive stjerner dannes på grund af kollaps af selvtyngdekraften. Disse stamstjerner kan i sidste ende udvikle sig til SMBH'er.
ATERUI 2-supercomputeren, der bruges i denne nye undersøgelse, tilhører National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). Den har 40.200 kerner og kan optræde ved over 3 petaflops. Billedkredit: NAOJ
Men der er et problem med det. Undersøgelser har vist, at scenariet med direkte kollaps kun kan finde sted i skyer med lav metallicitet, uden grundstoffer, der er tungere end brint og helium. Tilstedeværelsen af tungere grundstoffer som ilt og kulstof ændrer dynamikken i gasskyen. Metallerne afkøler gasskyen, og når gassen selv kollapser, fragmenteres den i mindre skyer. Disse mindre skyer fører derefter til dannelsen af mindre stjerner, snarere end én, der er massiv nok til at være forløberen for en SMBH.
Så direkte sammenbrud fra disse skyer af uberørt gas kan ikke forklare alle de SMBH'er, vi ser i centrum af galakser.
Chons team brugte en stærk supercomputer til at løse dette spørgsmål. Computeren hedder 'ATERUI II', og den drives af Japans National Astronomical Observatory (NAOJ). Holdet udførte langsigtede '3D højopløsningssimuleringer for at teste muligheden for, at supermassive stjerner kunne dannes selv i tung-elementberiget gas,' som det hedder i en pressemeddelelse.
Et billede fra ATERUI 2-simuleringen af sorte huller. De sorte prikker nær midten af figuren repræsenterer massive stjerner, som menes at udvikle sig til et sort hul med tiden. De hvide prikker repræsenterer stjerner, der er mindre end 10 solmasser og blev dannet ved fragmenteringen af gasskyen. Mange af de mindre stjerner smelter sammen med de supermassive stjerner i midten, hvilket tillader de massive stjerner at vokse effektivt.
KREDIT: Sunmyon Chon
Tidligere undersøgelser var delvis korrekte ifølge denne simulering. De massive gasskyer fragmenteres stadig, hvis der er nok metallicitet til at afkøle dem, hvilket forårsager dannelsen af mange mindre stjerner. Men Chons simulering viser, at fragmenteringen ikke er nok til at forhindre massive stamstjerner i at dannes.
Deres arbejde viser, at en stærk gasstrøm mod midten af skyen trækker de mindre stjerner ind, for at blive opslugt af de massive stjerner i midten. På denne måde, på trods af fragmenteringen af skyen og dannelsen af mindre stjerner, kan højmetallicitetsgasskyer stadig danne stjerner, der er massive nok til at være stamceller til SMBH'er. De vokser massivt nok til dels ved at kannibalisere de mindre stjerner.
Endnu en figur fra undersøgelsen. Denne viser, ved hvilken mekanisme de massive stamstjerner opnåede deres masse. Det røde område repræsenterer vækst ved gastilvækst, det grønne repræsenterer massevækst ved fusion med massive stjerner større end 100 solmasser, og blå repræsenterer vækst ved fusion med mindre stjerner med mindre end 100 solmasser. Billedkredit: Chon et al., 2020.
'Det er første gang, vi har vist dannelsen af et så stort sort huls forløber i skyer beriget med tunge elementer. Vi tror på, at den gigantiske stjerne, der således dannes, vil fortsætte med at vokse og udvikle sig til et gigantisk sort hul,” siger Chon.
Chons simulering resulterede også i dannelsen af en stjerne, der var 10.000 gange mere massiv end vores sol. En så massiv stjerne er bestemt stor nok til at være stamfader til en SMBH.
Denne figur fra undersøgelsen viser væksten af forstadiestjerner fra kollapsøjeblikket til 300 års og 600 års intervaller. De forskellige rækker repræsenterer forskellige koncentrationer af metallicitet i simuleringen. Den øverste række repræsenterer skyer uden metallicitet, hvor metalliciteten stiger, efterhånden som vi bevæger os nedad hver række. I modsætning til tidligere undersøgelser viste denne simulering, at massive stamstjerner stadig kan dannes, selv fra gasskyer med højere metallicitet. Sorte prikker repræsenterer massive stjerner, mens hvide prikker repræsenterer mindre stjerner. Billedkredit: Chon et al., 2020.
Som forfatterne skriver i deres papir, 'Selv når der produceres fragmenter
ved afkøling af støvet bevæger de sig med den indstrømmende gas og smelter til sidst sammen med de centrale stjerner. Af denne grund er den primære stjernemassevækst næsten uafhængig af skyens metallicitet...'
Kæmpestjerner er forløberne for SMBH'er, som vi ser i næsten alle store galakser. Denne undersøgelse viser gennem kraftig simulering, at disse forløberstjerner kan dannes lettere i gasskyer med større metallicitet end tidligere arbejde viser.
Hvis det står til mere videnskabelig undersøgelse, har vi måske vores svar på et af astronomiens mest overbevisende spørgsmål: Hvor kommer de supermassive sorte huller i centrum af galakser fra?
Næste op: Hvilken effekt har disse monstre på de galakser, der er vært for dem?