Astronomii nu-și pot da seama de ce unele găuri negre au devenit atât de mari atât de repede

Existența găurilor negre supermasive în universul timpuriu nu a avut niciodată prea mult sens pentru astronomi. Observările din 2006 au arătat că monștri giganteschi cu mase de cel puțin un miliard de sori erau deja pe loc când universul avea mai puțin de un miliard de ani – mult prea devreme pentru ca ei să se fi format prin mijloace convenționale.

Unul sau două dintre aceste obiecte masive vechi ar putea fi considerate ciudate, spune astrofizicianul teoretic Priyamvada Natarajan de la Universitatea Yale. Dar până în prezent, astronomii au observat peste 100 de găuri negre supermasive care au existat înainte ca universul să atingă 950 de milioane de ani. „Sunt prea mulți pentru a fi ciudați acum”, spune ea. „Trebuie să ai o explicație naturală pentru cum au apărut aceste lucruri.”

Ipotezele obișnuite sunt că aceste găuri negre fie s-au născut neașteptat de mari, fie au crescut rapid. Dar descoperirile recente contestă chiar și acele teorii și ar putea obliga astronomii să regândească modul în care cresc aceste găuri negre.

În universul modern, găurile negre se formează de obicei din stele masive care se prăbușesc sub propria gravitație la sfârșitul vieții. Ele încep de obicei mai mici de 100 de mase solare și pot crește fie prin fuzionarea cu o altă gaură neagră (SN: 19.3.16, str. 10) sau prin acumularea de gaz din mediul lor (SN Online: 12/6/17).

Acel gaz se organizează adesea într-un disc care se învârte în spirală în gaura neagră, cu frecare încălzind discul la temperaturi fierbinți care creează o strălucire strălucitoare vizibilă pe miliarde de ani-lumină. Aceste găuri negre care se hrănesc cu gaz se numesc quasari. Cu cât un quasar mănâncă mai repede, cu atât discul său strălucește mai puternic.

Dar strălucirea acelui gaz limitează și creșterea găurii negre: fotonii discului strălucitor împing materialul proaspăt. Aceasta stabilește o limită fizică a cât de repede pot crește găurile negre dintr-o anumită masă. Astronomii exprimă cât de repede mănâncă o gaură neagră cu un termen numit raportul Eddington, măsurând luminozitatea reală a găurii negre în raport cu luminozitatea pe care ar avea-o dacă ar mânca cât de repede ar putea.

Hrănitoare fine

Astronomii au măsurat rapoartele Eddington pentru doar aproximativ 20 de găuri negre supermasive din universul timpuriu. Majoritatea par să mănânce la limită, spre deosebire de quasarii din universul actual care se hrănesc cu aproximativ o zecime din această viteză. Acele rate furioase de hrănire încă par să sfideze dimensiunea supermasivă a găurilor negre: o gaură neagră de 100 de masă solară care se adună la limită ar trebui să dureze aproximativ 800 de milioane de ani pentru a ajunge la un miliard de mase solare, chiar și ținând cont de faptul că ar mânca mai repede pe măsură ce a crescut. Și acei 800 de milioane de ani nu includ timpul în care a durat să se formeze sămânța inițială a găurii negre.

Dar fizicianul Myungshin Im de la Universitatea Națională din Seul din Coreea de Sud și colegii s-au îngrijorat că din observațiile anterioare lipsesc cei mai pretențioși, deoarece cei care mănâncă rapid sunt mai strălucitori și mai ușor de observat. Dacă unele găuri negre masive timpurii au fost mâncători leneși, dimensiunile lor super devin și mai enigme – și ar putea exclude unele teorii despre cum au crescut.

Așa că echipa a căutat în mod deliberat quasari mai slabi îndepărtați într-o cursă de observare din septembrie 2015 la Observatorul Las Campanas din Chile.

Cercetătorii au descoperit IMS J2204+0112, o gaură neagră cu o masă solară de un miliard care mănâncă la o zecime din limita sa de viteză și provine din vremea când universul avea aproximativ 940 de milioane de ani. Dar la rata sa de hrănire, gaura neagră nu ar fi trebuit să se maturizeze pe deplin până când universul a avut 8 miliarde de ani, a raportat echipa pe arXiv.org, 9 februarie.

„Arătăm pentru prima dată că quasarii cu raportul Eddington scăzut există în universul timpuriu”, spune Im.

IMS J2204+0112 este cel mai slab quasar care mănâncă încet observat până acum, dar nu este singurul. Fizicianul Chiara Mazzucchelli de la Institutul Max Planck pentru Astronomie din Germania și colegii săi au raportat 11 găuri negre supermasive care au existat când universul avea mai puțin de 800 de milioane de ani, în Jurnalul de astrofizică noiembrie trecut.

În medie, acești quasari cântăresc aproximativ 1,62 miliarde de mase solare, dar mănâncă la aproximativ 40% din limita de viteză, a raportat echipa. În mod ciudat, cea mai mare gaură neagră din acel grup, HSC J1205-0000, a avut cea mai mică rată de alimentare: gaura neagră are 4,7 miliarde de mase solare, dar mănâncă la doar 6% din limita sa.

A fost destul de ciudat să găsești găuri negre supermasive cu pofte de mâncare în universul timpuriu, dar acești oameni pretențioși sunt și mai greu de explicat.

Astronomii speră că o privire mai în urmă în timp va ajuta la găsirea „sămânțelor” găurilor negre care ar putea deveni gigante. Dacă unele găuri negre au început să fie uriașe, de la 10.000 la un milion de mase solare, ele ar putea crește și mai mari fie prin contopirea între ele, fie prin acreție la limita Eddington.

„Dacă începi cu o sămânță atât de masivă, ai un început rapid”, spune astrofizicianul Avi Loeb de la Universitatea Harvard. „Atunci nu ai nevoie de atât de mult timp pentru a ajunge la un miliard de mase solare.”

Dar teoreticienii au încercat de 15 ani să descopere cum s-ar putea forma astfel de găuri negre uriașe. O idee este că norii masivi de gaz sau stelele supermasive s-au prăbușit direct într-o gaură neagră masivă.

Semințe supermasive

Lucrări mai recente sugerează că nu ar fi atât de simplu. Studiile teoretice arată că este greu să împiedici acei nori de gaz să se fragmenteze pentru a forma un grup de stele mici, mai degrabă decât să se prăbușească într-o stea mare, spune fizicianul Dominik Schleicher de la Universitatea Concepción din Chile.

În mai 2018 Anunțuri lunare ale Societății Regale de Astronomie, Schleicher și colegii săi arată că astfel de grupuri ar putea crea, de asemenea, semințe masive de găuri negre, deoarece stelele nou formate acumulează gaz rămas în cluster. Astfel de stele s-ar putea umfla până la 100 până la 1.000 de ori raza soarelui. Dimensiunile lor umflate și apropierea una de cealaltă ar face ca aceste stele să se ciocnească, declanșând un efect de domino care în cele din urmă adună toate stelele din cluster într-o singură stea supermasivă de 10.000 de ori masa Soarelui. Acea stea supermasivă s-ar putea prăbuși apoi pentru a forma o gaură neagră de semințe relativ masivă.

Cealaltă posibilitate este că găurile negre supermasive timpurii au spart pur și simplu limita Eddington. Este posibil să fi trecut prin perioade de mâncare mai repede decât se credea posibil și au crescut până la proporții aproape supermasive înainte de a se calma.

Loeb subliniază că există situații în universul actual în care găurile negre mănâncă mai repede decât limita Eddington, cum ar fi atunci când rup și devorează o stea. (SN: 4/1/17, p. 5). Există, de asemenea, situații în care radiațiile pot fi prinse în apropierea suprafeței găurii negre, împiedicând-o să împingă materialul. „În acest caz, puteți alimenta gaura neagră cât de repede doriți”, spune Loeb.

Sau, sugerează Natarajan și colegii, răspunsul ar putea fi ambele: găurile negre care se nasc mari devin mai mari mai repede. „Dovezile cresc încet că trebuie să luăm în considerare mai multe moduri”, spune Natarajan.

Într-un studiu din decembrie 2017 în Scrisori din jurnalul astrofizicea și colegii ei au efectuat simulări pe computer care arată că unele medii pot stimula creșterea unei găuri negre, permițând găurii negre să consume un flux continuu de gaz.

Totuși, doar găurile negre născute cu mase de cel puțin 10.000 de ori mai mari decât cele ale soarelui pot crește până la un miliard de mase solare în decurs de un miliard de ani. Dar cele mai masive semințe sunt mai probabil să se nască într-un mediu bogat în gaze.

„Mediul înconjurător și condițiile de naștere pentru aceste găuri negre le pun de fapt pe o cale fie pentru creșterea rapidă, fie pentru o creștere destul de lentă”, spune Natarajan. „Semințele masive ale găurii negre sunt cele care au câștigat la loteria nașterii și au avut cel mai bun început în viață.”

În cele din urmă, astronomii vor trebui să vadă și mai mult înapoi în timp dacă speră să găsească semințe supermasive. Telescopul spațial James Webb, care urmează să fie lansat în 2019, ar trebui să poată detecta quasari și stele la 400 de milioane sau 500 de milioane de ani după Big Bang. Și un viitor observator de unde gravitaționale numit LISA va avea ca scop detectarea găurilor negre supermasive de-a lungul istoriei cosmice.

„Singura modalitate de a discrimina între aceste modele este să mergem înapoi în timp”, spune Natarajan.