W poszukiwaniu zarodków pierwszych supermasywnych czarnych dziur

To jedno z najbardziej frapujących pytań w astronomii: jak doszło do powstania supermasywnych czarnych dziur we wczesnym kosmosie? Zaobserwowane odległe świecące kwazary zdradzają ich istnienie w czasie, kiedy wszechświat nie liczył sobie jeszcze miliarda lat. Rzecz w tym, że tradycyjny proces rozwoju czarnej dziury jest zdecydowanie zbyt powolny, aby mogły już wtedy istnieć.

Potencjalnych wyjaśnień może być kilka. Na przykład owe supermasywne czarne dziury mogły powstać w wyniku eksplozji supermasywnych gwiazd, zapadnięcia się wielkich chmur gazu albo nawet zderzenia się ze sobą mniejszych czarnych dziur. Wedle teorii, którą zajmował się dr Muhammad Latif, tego rodzaju czarne dziury powstały z „bezpośredniego zapadnięcia się” zarodkowych czarnych dziur.

Dzięki finansowaniu w ramach projektu FIRSTBHS (The formation of supermassive black holes in the early universe) dr Latif przeprowadził symulację formowania się i rozwoju owych zarodkowych czarnych dziur.

Co sprawia, że pierwsze supermasywne czarne dziury są tak interesujące?

Pierwsze supermasywne czarne dziury są niezwykle interesujące, bo uformowały się w niemowlęcym wszechświecie, w ciągu pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu, co stanowi jedynie ułamek dzisiejszego wieku wszechświata (13,7 miliarda lat). Stawiają pod znakiem zapytania nasze dotychczasowe pojmowanie procesu formowania się wszechświata.

Dobrym porównaniem jest sytuacja, w której idziemy do przedszkola i zastajemy tam ponad dwumetrowego przedszkolaka. W sposób oczywisty zaczniemy się wówczas zastanawiać, jak to dziecko mogło tak urosnąć. To samo tyczy się czarnych dziur – ich masa jest miliardy razy większa od masy Słońca i trudno zrozumieć, jak zdołały osiągnąć taką masę w tak krótkim czasie, kiedy gwiazdy i galaktyki dopiero zaczęły powstawać.

Jakie konkretnie luki w dotychczasowej wiedzy miał ten projekt wypełnić?

Naszym celem było znalezienie najsensowniejszego wyjaśnienia sposobu powstania tak masywnych obiektów. Istnieją trzy główne mechanizmy astrofizyczne, które mogły doprowadzić do uformowania się pierwszych supermasywnych czarnych dziur. Najbardziej prawdopodobny scenariusz to tzw. metoda bezpośredniego zapadnięcia się. Przewiduje ona istnienie masywnych zarodków, co ułatwia ich wzrost.

W ramach projektu postanowiliśmy zbadać realność tego scenariusza, jak masywne i liczne będą w jego ramach zarodki, porównać ich gęstość liczbową z obserwacjami oraz szczegółowo przeanalizować leżące u jego podstaw mechanizmy astrofizyczne. Następnym celem było wyprowadzenie ich sygnatur obserwacyjnych oraz opracowanie prognoz dla przyszłych misji kosmicznych i naziemnych.

W jaki sposób przystąpiliście do realizacji swoich zamierzeń?

Przeprowadziliśmy tak zwane trójwymiarowe symulacje kosmologiczne, modelując szczegółowo wszelkie wymagane procesy fizyczne, a za punkt wyjścia obraliśmy wstępne warunki ab initio.

Jakie Pana zdaniem są najbardziej innowacyjne aspekty tej metodologii?

Wydaje mi się, że multifizyczne podejście naszej symulacji kosmologicznej, która objęła szczegółowe modele chemiczne i modele nierozwiązanych turbulencji, pola magnetyczne, transport promieniowania do modelowania UV, sprzężenie zwrotne promieniowania rentgenowskiego z akrecyjnych czarnych dziur i gwiazd, jak również wzbogacanie metalami. Takie podejście wyprzedza obecny stan techniki w tej dziedzinie.

Jakie są najważniejsze wnioski z tego projektu?

Nasze wyniki pokazują, że mechanizm bezpośredniego zapadania się tworzy czarne dziury o masie od 10^5 do 10^6 mas Słońca, które mogą rozrastać się i tworzyć pierwsze supermasywne czarne dziury.

Warunki do powstawania takich obiektów we wczesnym wszechświecie są idealne. W szczególności nieskazitelne masywne halo oświetlane silnym strumieniem UV stanowią potencjalne kolebki masywnych czarnych dziur. Nasze wyniki wskazują, że takie obiekty są rzadkością, ponieważ wymagają szczególnych warunków, niemniej nadal jest to przedmiotem dyskusji ekspertów.

Czego oczekujecie od misji JWST i ATHENA?

Mamy nadzieję, że w ramach misji JWST uda się znaleźć niektóre z zarodkowych czarnych dziur, gdyż te odległe obiekty są na wczesnych etapach bardzo słabo widoczne. To zależy też oczywiści od ich liczebności, co nadal jest kwestią otwartą.

ATHENA zapowiada się bardziej obiecująco, ponieważ ma wykryć kilkaset aktywnych jąder galaktyk o niskiej jasności na poziomie z>6, co pomoże w zbudowaniu modeli powstawania czarnych dziur.

Jakie macie dalsze plany?

Obecnie zajmujemy się rozwojem czarnych dziur we wczesnym wszechświecie i przeprowadzamy ich szczegółowe symulacje. Wraz ze współpracownikami staramy się wyjaśnić, jak sprzężenie zwrotne między czarnymi dziurami a gwiazdami oddziałuje na rozwój tych pierwszych, a także zrozumieć rolę środowiska, zimnych strumieni zasilających czarne dziury itd. Chcemy wywieść syntetyczne cele obserwacyjne dla misji E-ELT, Euclid, ATHENA, JWST oraz SKA, i ufamy, że takie podejście pomoże nam zrozumieć powstawanie i rozrastanie się pierwszych supermasywnych czarnych dziur.

FIRSTBHS
Strona projektu w serwisie CORDIS