Γρήγορα αναπτύχθηκαν οι μαύρες τρύπες

Πηγή: Universe Today, 28 Ιουνίου 2005

Στην ερώτηση τι εμφανίστηκε πρώτα, οι γαλαξίες ή οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο τους, οι περισσότεροι κοσμολόγοι νομίζουν τώρα ότι τα δύο αντικείμενα συνδέονται περίπλοκα, ενώ το καθένα   σχετίζεται με το άλλο.

Και σύμφωνα με ερευνητές, μεταξύ των οποίων είναι ο φημισμένος αστρονόμος Martin Rees, αυτές οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έγιναν τεράστιες πολύ γρήγορα. Αναθεωρώντας τα στοιχεία από τα κβάζαρ με την βοήθεια της Ψηφιακής Έρευνας του Ουρανού Sloan (SDSS), η ομάδα αυτή έχει υπολογίσει ότι πολλές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έφθασαν να έχουν 1 δισεκατομμύριο φορές τη μάζα του ήλιού μας σε μια πολύ μικρή χρονική περίοδο. Ακόμη και για τις μεγαλύτερες, τις πιο αδηφάγες μαύρες τρύπες στον Κόσμο, το γεγονός αυτό είναι ένας καταπληκτικός άθλος.

Όλα άρχισαν πριν από πολλά δισεκατομμύρια χρόνια, όταν το Σύμπαν ήταν πολύ νέο. Τότε ξεκίνησαν τα πρώτα μεγάλα άστρα να καίνε το υδρογόνο τους. Αλλά γρήγορα έσβησαν οι πυρηνικές μηχανές τους και άρχισαν να ξεχύνονται ρεύματα καυτού αερίου υδρογόνου και ηλίου - εμπλουτίζοντας τα διαστρικά μέσα. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, διαμορφώθηκαν σε ένα μικρό χώρο κοντά στους δημιουργούμενους γαλαξιακούς πυρήνες τα μεγάλα σμήνη αστεριών - και με το κάθε ένα σμήνος να κολυμπά στις μικρές περιοχές του αρχέγονου υλικού του μίνι φωτοστέφανου.

Ολοκληρώνοντας τον κύκλο τους, τα πρώτα-πρώτα αστέρια εξερράγησαν, διασπείροντας στο διάστημα βαριά άτομα. Αλλά προτού συσσωρευτεί βαρύ υλικό στο σύμπαν, σχηματίστηκαν πολύ γρήγορα οι πρώτες μαύρες τρύπες μέσω της αμοιβαίας αφομοίωσης.

Συγχρόνως δε δημιουργήθηκε αρκετή βαρυτική έλξη που παρέσυρε τα αέρια αναγκάζοντας τα να αποκτήσουν υψηλές θερμοκρασίες, δημιουργώντας τότε τους μεγάλους δίσκους προσαύξησης. Σε αυτή την εξαιρετικά κρίσιμη φάση ανάπτυξης, οι πιο πρόωρες ογκώδεις μαύρες τρύπες (MBH) γρήγορα έδωσαν τη θέση τους στις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH). Εκτός τούτου τότε βρήκαν φιλοξενία και τα πρώτα κβάζαρ μέσα στους μίνι φωτοστεφάνους των πολυάριθμων πρωτογαλαξιών.

Αυτή η εικόνα του σχηματισμού των πρώτων κβάζαρ προέκυψε μετά την πρόσφατη εργασία (που δημοσιεύθηκε στις 2 Ιουνίου 2005) με τίτλο "Ταχεία ανάπτυξη των Μαύρων Οπών με Υψηλή Ερυθρή Μετατόπιση (redshift)", η οποία υπογράφεται από τους κοσμολόγους Martin J. Rees και Marta Volonteri.

Αυτή η μελέτη λέει ότι ο γρήγορος σχηματισμός των SMBH έγινε σε μια μικρή περίοδο μετά από την εποχή της καθολικής διαφάνειας, όμως προτού τα αέρια στα διαστρικά μέσα επαναϊονιστούν πλήρως με τη βοήθεια της αστρικής ακτινοβολίας και γεμίσουν με βαριά μέταλλα από τις εκρήξεις σουπερνοβών. Το μοντέλο Rees-Volonteri προσπαθεί να εξηγήσει τα γεγονότα, όπως βγαίνουν από τα δεδομένα της Ψηφιακής Έρευνας Ουρανού Sloan (SDSS)

Ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά από τη Μεγάλη Έκρηξη, είχαν λοιπόν διαμορφωθεί ήδη πολλά κβάζαρ με υψηλή ακτινοβολία. Συγχρόνως, η κάθε μαύρη τρύπα του τύπου SMBH, είχε μάζα ισοδύναμη με 1 δισεκατομμύριο ήλιους. Οι τελευταίες είχαν προκύψει από τις αρχικές μικρές μαύρες τρύπες - αυτές που απέμειναν μετά τον πρώτο κύκλο της κατάρρευσης των σουπερνοβών, ανάμεσα στα πρώτα ογκώδη γαλαξιακά σμήνη. Και όλα αυτά ένα δισεκατομμύριο έτη μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Πώς όμως κατάφερε τόση πολλή μάζα να συμπυκνωθεί τόσο γρήγορα σε τέτοιες μικρές περιοχές του διαστήματος;

Η Marta Volonteri τον Ιούνιο του 2003 σε συνέδριο στη Μύκονο παρουσιάζει το ιεραρχικό μοντέλο της

Σύμφωνα με τους Volontari και Rees, "Για να αναπτυχθούν τέτοιοι 'σπόροι μαύρων οπών' μέχρι 1 δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες απαιτούσε μια σχεδόν συνεχή προσαύξηση με αέριο".  Και μάλιστα σε ένα τέτοιο υψηλό ρυθμό αντιδρά η πίεση της ακτινοβολίας από την ύλη, που πέφτει σε μια μαύρη τρύπα, αντισταθμίζοντας έτσι τη γρήγορη αύξηση του βάρους.

Τα περισσότερα μοντέλα της αύξησης των SMBH δείχνουν ότι περίπου το 30% της μάζας που πέφτει προς μια ενδιάμεση MBH - μη υπερμεγέθη δηλαδή - μαύρη τρύπα μετατρέπεται σε ακτινοβολία. Η επίδραση αυτού του γεγονότος είναι διπλή: Η ύλη που αλλιώς θα έτρεφε τις MBH χάνεται σε ακτινοβολία, και η προς τα έξω πίεση της ακτινοβολίας πνίγει τη σταθερή πορεία της ύλης προς το εσωτερικό,  που μπορεί να φέρει την ταχεία ανάπτυξη των μαύρων οπών.

Το κλειδί για την κατανόηση του γρήγορου σχηματισμού των SMBH βρίσκεται στην πιθανότητα οι πρόωροι δίσκοι προσαύξησης γύρω από τις MBH να μην ήταν τόσο οπτικά πυκνοί όσο αυτοί που είναι σήμερα - αλλά ένα στρώμα με δυσδιάκριτη κατανεμημένη ύλη. Υπό τέτοιους όρους, η ακτινοβολία έχει μια ελεύθερη πορεία και μπορεί να δραπετεύσει πέρα από τους δίσκους χωρίς την παρακώλυση της εσωτερικής κίνησης της ύλης. Έτσι τα 'καύσιμα' για την αύξηση των SMBH παραδίδονται με αφθονία στον ορίζοντα γεγονότων των μαύρων οπών, αυξάνοντας με αυτό τον τρόπο τη μάζα τους.

Η μικρή κόκκινη κουκίδα - που δείχνει το βέλος στην αριστερή εικόνα - είναι το πιο απόμακρο κβάζαρ που ανακαλύφθηκε ποτέ (τουλάχιστον μέχρι τον Οκτώβριο του 2003). Έχει ερυθρή μετατόπιση (Redshift) 6,4 που σημαίνει ότι υπήρχε όταν ο Κόσμος ήταν ακριβώς 800 εκατομμυρίων ετών. Το φως από αυτό το κβάζαρ για να έλθει σε μας ταξίδευε περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια.

Εν τω μεταξύ, το τυπικό υλικό εκείνης της πρώιμης φάσης του Κόσμου ήταν κυρίως μονοατομικό υδρογόνο και ήλιο - κι όχι τα βαριά στοιχεία που ήταν στους δίσκους προσαύξησης στην πιο ύστερη εποχή. Όλα αυτά δείχνουν ότι οι αρχικές μαύρες τρύπες MBH αυξήθηκαν πολύ βιαστικά,  αποτελώντας τελικά τα ώριμα κβάζαρ που φάνηκαν με την έρευνα Sloan (SDSS).  Και μάλιστα τότε το αρχικό σύμπαν ήταν πολύ πιο πυκνό με την ύλη σε μια υψηλή θερμοκρασία. Και τα αμέταλλα υπερίσχυαν τότε των μετάλλων.

Σύμφωνα με τους δύο επιστήμονες όλα αυτά έγιναν σε εποχές πολύ παλιές - προτού η ακτινοβολία από τα πολυάριθμα άστρα επαναϊονίσει τα αέρια μέσα στο διαστρικό αέριο - σε συνθήκες κατάλληλες για το γρήγορο σχηματισμό των SMBH. Τέτοιες συνθήκες μπορεί να κράτησαν λιγότερο από 100 εκατομμύρια χρόνια και χρειάζονταν μια κατάλληλη ισορροπία ανάμεσα στη θερμοκρασία, την πυκνότητα, την κατανομή, και τη σύνθεση της ύλης στο Σύμπαν.

Για να ολοκληρώσουν την πλήρη εικόνα οι ερευνητές λένε ότι το πρόωρο Σύμπαν ήταν γεμάτο από αναρίθμητους μίνι-φωτοστεφάνους (άλως) από σκοτεινή και βαρυονική ύλη, ενώ στο κέντρο των φωτοστεφάνων υπήρχε ένα σμήνος πολύ πυκνών και μεγάλης μάζας άστρων. Λόγω της πυκνότητας αυτών των σμηνών  και της μεγάλης μάζας των άστρων τους - οι σουπερνόβες αναπτύχθηκαν πολύ γρήγορα ενώ έθρεψαν πολυάριθμες μικρές αρχέγονες μικρές μαύρες τρύπες (BH). Αργότερα όμως αυτές συγχωνεύτηκαν προς τις ογκώδεις μαύρες τρύπες. Εν τω μεταξύ οι βαρυτικές δυνάμεις και οι πραγματικές κινήσεις έφεραν γρήγορη συγχώνευση και στους διάφορους μίνι-φωτοστεφάνους. Έτσι, δημιουργήθηκαν μεγαλύτεροι φωτοστέφανοι, που ήταν ικανοί να θρέψουν τις μεγάλες μαύρες τρύπες - MBH.

Η παλαιότερη γνωστή σουπερνόβα τύπου 1a, κοντά σε έναν ελλειπτικό γαλαξία και σε μια απόσταση ~11.5 δισεκατομμύρια έτη φωτός, παρουσιάζεται ως ένα φωτεινό πυρακτωμένο νεφελοειδές αντικείμενο στην δεξιά εικόνα.

Εν συνεχεία, στο νεαρό Σύμπαν η ύλη που περιβάλλει τις MBH έλαβε τη μορφή τεράστιων σφαιροειδών σχημάτων με υδρογόνο και ήλιο - πτωχών σε μέταλλα - και σε θερμοκρασία, κατά μέσο όρο, 8.000 βαθμών Kelvin. Σε τέτοιες υψηλές θερμοκρασίες, τα άτομα παραμένουν ιονισμένα. Λόγω του ιονισμού, υπήρχαν λίγα ηλεκτρόνια να συνδεθούν με τα άτομα και να ενεργήσουν ως παγίδες φωτονίων.

Σε αυτό το στάδιο η πίεση της ακτινοβολίας ελαττώθηκε (αφού δεν υπήρχε αρκετή ακτινοβολία) σε σημείο, όπου η ύλη μπορούσε ευκολότερα να πέσει μέσα στον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας. Εν τω μεταξύ τα ίδια τα ελεύθερα ηλεκτρόνια διασκόρπιζαν το φως. Κάποιο από αυτό το φως στρεφόταν πίσω προς το δίσκο προσαύξησης και μια άλλη πηγή μάζας - υπό μορφή ενέργειας - έτρεφε το σύστημα.

Τελικά η έλλειψη βαρέων μετάλλων - όπως το οξυγόνο, ο άνθρακας, και το άζωτο - σημαίνει ότι τα μονοατομικά άτομα παραμένουν καυτά. Και καθώς η θερμοκρασία μειώθηκε κάτω από 4.000 βαθμούς Kelvin τα άτομα ιοντίζονται και πάλι, αυξάνει έτσι η πίεση της ακτινοβολίας, που γι αυτό μειώνει τη ροή της ύλης που εισέρχεται στον ορίζοντα γεγονότος της απλής μαύρης τρύπας BH. Όλες αυτές οι ιδιότητες επέτρεψαν στις MBH να αυξήσουν τη μάζα τους γρήγορα.

Εν τω μεταξύ καθώς οι μίνι-φωτοστέφανοι συγχωνεύτηκαν, καυτή βαρυονική ύλη συμπυκνώνεται στους τεράστιους "χοντρούς" δίσκους - όχι τους λεπτούς δακτυλίους που βλέπουμε σήμερα γύρω από τις SMBH. Αυτό έγινε επειδή η ύλη της άλως περιέβαλε εντελώς τις γρήγορα αυξανόμενες MBH. Αυτή η σφαιροειδής κατανομή του υλικού παρείχε μια σταθερή πηγή φρέσκου, καυτού, παρθένου υλικού για να ταΐσει το δίσκο προσαύξησης από διάφορες γωνίες. Οι χοντροί δίσκοι από την άλλη σήμαναν μεγαλύτερα ποσά ύλης με χαμηλότερη οπτική πυκνότητα.

Και οι δύο παράγοντες - χοντροί δίσκοι και ιονισμένα, χαμηλής μάζας άτομα - λένε ότι κατά τη διάρκεια της χρυσής ηλικίας ενός νεαρού σύμπαντος, οι MBH μεγάλωσαν γρήγορα. Μέσα σε ένα δισεκατομμύριο έτη από το Big Bang είχαν εγκατασταθεί μετατρέποντας την ύλη σε φως, που έφτασε σε όλες τις γωνιές του σύμπαντος.