Koncept ovog umjetnika pokazuje najudaljeniji kvazar i najudaljeniju supermasivnu crnu rupu koja ga napaja. S crvenim pomakom od 7,54, ULAS J1342 + 0928 odgovara udaljenosti od oko 29 milijardi svjetlosnih godina; to je najudaljenija kvazarska / supermasivna crna rupa ikad otkrivena. Njegova svjetlost stiže u naše oči danas, u radio-dijelu spektra, jer je emitirana samo 690 milijuna godina nakon Velikog praska. (ROBIN DIENEL / CARNEGIE INSTITUCIJA ZA ZNANOST)

Kako je bilo kad su se formirale prve supermasivne crne rupe?

Ti su kozmički behemoti bili ogromni od vrlo ranih vremena. Evo kako su postali.

Jedan od najvećih izazova moderne astrofizike je opisati kako je Svemir prešao iz jednoobraznog mjesta bez planeta, zvijezda ili galaksija u bogat, strukturiran, raznovrstan kozmos koji danas vidimo. Koliko znamo, sve do kada je Svemir bio star tek nekoliko stotina milijuna godina, nalazimo niz fascinantnih objekata. Zvijezde i zvjezdani grozdovi postoje u izobilju; galaksije s možda milijardu zvijezda osvjetljavaju Svemir; čak su i kvazari s vrlo velikim crnim rupama nastali prije Svemira star čak milijardu godina.

Ali kako je svemir napravio tako velike masivne crne rupe u tako kratkim vremenskim razdobljima? Nakon desetljeća sukobljenih priča, znanstvenici napokon misle da znamo što se dogodilo.

Umjetnikova koncepcija onoga kako bi mogao izgledati Univerzum, jer prvi put tvori zvijezde. Zvijezde bi mogle doseći stotine ili čak tisuću solarnih masa, a to bi moglo dovesti do relativno brzog stvaranja crne rupe mase, za koju se zna da posjeduju najraniji kvazari. (NASA / JPL-CALTECH / R. HURT (SSC))

Samo 50 do 100 milijuna godina nakon Velikog praska, počele su se formirati prve zvijezde svih. Ogromni plinski oblaci počeli su se kolabirati, ali budući da su sastavljeni od vodika i helija sami, oni se bore da zrače toplinu i rasipaju svoju energiju. Kao rezultat, ove grozdovi koji gravitacijski oblikuju i rastu moraju postati mnogo masivniji od grudvica koje danas oblikuju zvijezde, a to ima posljedice na vrste zvijezda.

Dok danas obično formiramo zvijezde koje su oko 40% mase Sunca, prve zvijezde u prosjeku su bile oko 25 puta masivnije. Budući da se trebate ohladiti da biste se srušili, to će dovesti samo do zvijezda, to su samo najveći, najmasivniji slojevi koji se formiraju rano. Prosječna „prva zvijezda“ može biti deset puta veća od našeg Sunca, s tim da mnoge pojedinačne zvijezde dosežu stotine ili čak tisuću sunčevih masa.

(Moderni) Morgan-Keenanov spektralni sustav klasifikacije, s temperaturnim rasponom svake klase zvijezda prikazanom iznad njega, u kelvinima. Velika većina današnjih zvijezda su zvijezde M klase, a samo jedna poznata zvijezda O- ili B klase unutar 25 parseksa. Naše Sunce je zvijezda G klase. Međutim, u ranom Svemiru gotovo su sve zvijezde bile zvijezde O ili B klase, s prosječnom masom 25 puta većom od prosječnih zvijezda danas. (WIKIMEDIA COMMONS KORISNIK LUCASVB, DODATAK E. SIEGEL)

Većina tih zvijezda svoj će život završiti u supernovi, što će dovesti ili do neutronske zvijezde ili male crne rupe male mase. Ali bez ikakvih teških elemenata, najmasovnije zvijezde će dostići tako visoke temperature u svojim jezgrama da fotoni, pojedinačne čestice svjetlosti, mogu postati toliko energične da će spontano početi proizvoditi parove materije i antimaterije samo iz čiste energije.

Možda ste čuli za Einsteinov E = mc², a ovo je možda njegova najmoćnija primjena: čisti oblik energije, poput fotona, može stvoriti masivne čestice sve dok se ne poštuju osnovna kvantna pravila koja upravljaju prirodom. Najlakši način da se od materije i antimaterije stvori par fotona / pozitrona, što će se dogoditi samostalno ako su temperature dovoljno visoke.

Ovaj dijagram prikazuje proces proizvodnje parova za koji astronomi smatraju da je pokrenuo događaj hipernove poznate kao SN 2006gy. Kad se dobiju visokoenergetski fotoni, oni će stvoriti parove elektrona / pozitrona, uzrokujući pad tlaka i bijejnu reakciju koja uništava zvijezdu. Najviše svjetline hipernove mnogostruko su veće od onih drugih,

U ovim ultra-masivnim zvijezdama, kao i u svim zvijezdama, gravitacija pokušava sve te materije povući u središte. Ali fotoni i sve zračenje proizvedeno u jezgrama tih zvijezda gura natrag i drži zvijezdu gore, sprječavajući njen kolaps.

Kada počnete proizvoditi parove elektrona-pozitrona iz ovih fotona, gubite dio tog zračenja. Osiromašujete sposobnost vaše zvijezde da se drži protiv gravitacijskog kolapsa. I dok je istina da postoji nekoliko uskih raspona masa koji dovode do toga da se zvijezda potpuno uništi, veliki dio slučajeva rezultirat će da se cijela zvijezda izravno sruši u crnu rupu.

Supernove vrste kao funkcija početne mase i početnog sadržaja elemenata teže od helija (metalnost). Imajte na umu da prve zvijezde zauzimaju donji red ljestvice, bez metala i da crna područja odgovaraju izravnim crnim rupama. (FULVIO314 / WIKIMEDIA COMMONS)

Ovo je izuzetan korak! To znači da se najmasovnije zvijezde od svih, sa stotinama ili čak tisućama solarnih masa, mogu formirati kada je Svemir star tek 100 milijuna godina ili manje: manje od 1% njegove trenutne starosti. Te će zvijezde izgorjeti kroz svoje nuklearno gorivo najbrže, za 1 ili 2 milijuna godina, vrhovima. A onda će se njihove jezgre toliko zagrijati da će početi pretvarati fotone u čestice i antičestice, što uzrokuje da se zvijezda raspada i zagrijava još brže.

Jednom kada prijeđete određeni prag, sve što možete učiniti je propasti. I to nije samo teorija; zapravo smo vidjeli kako se zvijezde izravno raspadaju bez supernove, vodeći izravno do onoga što bi mogla biti samo crna rupa.

Vidljive / blizu IR fotografije s Hubblea pokazuju ogromnu zvijezdu, oko 25 puta veću od Sunčeve mase koja je izumrla iz postojanja, bez supernove ili drugog objašnjenja. Izravno urušavanje jedino je razumno objašnjenje kandidata. (NASA / ESA / C. KOCHANEK (OSU))

Ali to je tek početak Kad god imate veliku grupu masivnih objekata koji djeluju prvenstveno pod silom gravitacije, iz tih interakcija se izbacuju različiti predmeti. Najmanje masivni objekti su oni koje je najlakše izbaciti, dok su najmasivniji objekti najteži za izbacivanje. Dok ove zvijezde, plinski oblaci, nakupine i crne rupe plešu uokolo, oni prolaze kroz ono što se naziva masovna segregacija: najteži predmeti padaju u gravitacijski centar, gdje djeluju i mogu se čak spojiti.

Odjednom, umjesto nekoliko stotina crnih rupa od nekoliko stotina ili nekoliko tisuća solarnih masa, možete se nadoknaditi jednom crnom rupom od otprilike 100 000 sunčevih masa ili čak i više.

Kataklizmični događaji događaju se u čitavoj galaksiji i širom Svemira, od supernova do aktivnih crnih rupa do spajanja neutronskih zvijezda i još mnogo toga. U grozdu ili grozdu koji formira mnogo crnih rupa, gravitacijski će privući i istisnuti druge, manje objekte, što dovodi do niza masivnih spajanja i rastuće velike, središnje crne rupe. (J. WISE / GEORGIA INSTITUTE TEHNOLOGIJE I J. REGAN / DUBLIN CITY UNIVERSITY)

Iako bi, gravitacijski, moglo proći nekoliko desetaka milijuna godina da se to dogodi, ovo je samo za jednu zvijezdu! Svemir, od svojih najranijih stupnjeva, formira ove zvjezdane nakupine posvuda, a ti zvjezdani grozdovi tada počinju gravitacijski privlačiti jedni druge. S vremenom će ti različiti nakupini zvijezda utjecati jedan na drugog, a gravitacija će ih spojiti.

Do trenutka kada svemir bude star više od 250 milijuna godina, oni će se početi masovno spajati, što će dovesti do prvih proto-galaksija. Gravitacija je sila koja istinski pogoduje predoziranju, a kako vrijeme prolazi, deseci, stotine, pa čak i tisuće tih početnih, ranih klastera mogu se okupiti i prerasti u sve veće i veće galaksije. Kozmički web uzrokuje spajanje struktura u sve veće.

Projekcija velikih razmjera kroz volumen Illustrisa pri z = 0, usredotočena na najmasivniji skup, dubok 15 Mpc / h. Prikazuje gustoću tamne materije (lijevo) koja prelazi u gustoću plina (desno). Struktura svemira velikih razmjera ne može se objasniti bez tamne materije. Potpuni paket onoga što je prisutno u Svemiru diktira da se struktura prvo formira na malim mjerilima, što na kraju vodi do progresivno većih i većih. (ILLUSTRIS SURADNJA / ILULUSTRIS SIMULACIJA)

Ovo nas lako može odvesti do mase koja je mnogo desetina milijuna solarnih masa s vremenom kada dođemo do prvih galaksija, ali događa se i nešto drugo. Nisu samo crne rupe koje se spajaju zajedno da naprave supermasivne one u centru; bilo koja stvar pada na njih! Te rane galaksije su kompaktni objekti i pune su zvijezda, plina, prašine, zvjezdanih nakupina, planeta i još mnogo toga. Kad god se nešto previše približi crnoj rupi, riskira se da je proždre.

Imajte na umu da je gravitacija bijega od sila: što više mase imate, to više mase privlačite. A ako se nešto previše približi crnoj rupi, njegova se materija rastegne i zagrijava, i tada će postati dio akumulacijskog diska u crnoj rupi. Dio te materije će se zagrijavati i ubrzati, gdje može emitirati kvazarske mlazove. No, dio toga će također pasti, što će povećati masu crne rupe još više.

Kad se crne rupe hrane materijom, stvaraju akrecijski disk i bipolarni mlaz okomit na njega. Kad mlaz iz supermasivne crne rupe usmjeri prema nama, nazivamo ga ili BL Lacertae objektom ili blazarom. Smatra se da je ovo sada glavni izvor i kozmičkih zraka i visokoenergetskih neutrina. (NASA / JPL)

Da postoji jedna riječ vokabulara koju astrofizičari koji proučavaju rast predmeta putem gravitacije žele da to javnost zna, bila bi to neobična: nelinearna. Kad imate područje prostora niže od prosjeka, prednost vam privlači materija. Ako je samo nekoliko posto gušće od prosjeka, gravitacijska privlačnost samo je nekoliko posto učinkovitija od prosjeka. Udvostručite iznos koji ste pretjerali, i udvostručite iznos koji ste učinkovitiji u privlačenju stvari.

Ali kad dosegnete određeni prag od približno dvostrukog prosjeka, postajete puno više nego dvostruko učinkovitiji u privlačenju drugih materija. Kad započnete “pobjeđivati” gravitacijski rat, pobjeđujete sve teže i teže kako vrijeme prolazi. Prema tome, najmasovnije regije ne samo da rastu najbrže, već jedu sve oko sebe. S vremenom prođe pola milijarde godina, možete biti ogromni.

Daleka galaksija MACS1149-JD1 gravitacijski je posuđena prednjim klasterom, omogućavajući joj snimanje u visokoj rezoluciji i na više instrumenata, čak i bez tehnologije nove generacije. (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), NASA / ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE , W. ZHENG (JHU), M. POSTMAN (STSCI), THE CLASH TEAM, HASHIMOTO ET AL.)

Najraniji galaksije i kvazari koje smo ikada pronašli spadaju u najsvjetlije, najmasovnije one za koje očekujemo da postoje. Oni su veliki pobjednici u gravitacijskim ratovima ranog Svemira: krajnji kozmički predoziranja. Vremenom, kako ih otkrivaju naši teleskopi, 400 do 700 milijuna godina nakon Velikog praska (najraniji kvazar dolazi iz 690 milijuna godina), već imaju milijarde zvijezda i supermasivne crne rupe mnogih stotina milijuna solarnih masa.

Ali ovo nije kozmička katastrofa; ovo je dokaz koji pokazuje otrcanu snagu gravitacije u našem Svemiru. Nasadjeni prvom generacijom zvijezda i relativno velikim crnim rupama koje stvaraju, ti se objekti spajaju i rastu unutar grozda, a zatim postaju još veći kako se klasteri spajaju u galaksije, a galaksije se spajaju u veće galaksije. Do danas imamo crne rupe desetke milijardi masivne kao Sunce. Ali čak i u najranijim fazama koje možemo promatrati, crne rupe od milijarde solarnih masa su dobro nadohvat ruke. Dok lučimo kozmički veo, nadamo se da ćemo naučiti točno kako odrastu.

Daljnje čitanje o tome kako je izgledao Svemir kada:

  • Kako je bilo kada se svemir napuhavao?
  • Kako je bilo kad je prvi puk počeo?
  • Kako je bilo kad je svemir bio u najtoplijem trenutku?
  • Kako je bilo kad je svemir stvorio više materije nego antimaterije?
  • Kako je bilo kad je Higgs dao misu Svemiru?
  • Kako je bilo kad smo prvi put pravili protone i neutrone?
  • Kako je bilo kad smo izgubili posljednju antimateriju?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio svoje prve elemente?
  • Kako je bilo kad je Svemir prvi put stvorio atome?
  • Kako je bilo kad u Svemiru nije bilo zvijezda?
  • Kako je bilo kad su prve zvijezde počele osvjetljavati Svemir?
  • Kako je bilo kad su umrle prve zvijezde?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio drugu zvijezdu?
  • Kako je bilo kad je Svemir napravio prve galaksije?
  • Kako je bilo kad je zvijezda prvi put probila neutralne atome svemira?

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.