Svarta hål bildas när stjärnor dör, låta materia i dem kollapsa till ett extremt tätt föremål från vilket inte ens ljus kan komma ut. Astronomer teoretiserar att massiva svarta hål också kan bildas vid födelsen av en galax, men hittills har ingen kunnat se tillräckligt långt tillbaka i tiden för att observera förhållandena som skapar dessa direkta kollaps svarta hål (DCBH).

James Webb rymdteleskop, planerad att lanseras 2021, kanske kan titta tillräckligt långt tillbaka in i det tidiga universum för att se en galax som är värd för ett begynnande massivt svart hål. Nu, en simulering som gjorts av forskare vid Georgia Institute of Technology har föreslagit vad astronomer bör leta efter om de söker himlen efter en DCBH i sina tidiga skeden.

Den första simuleringen i sitt slag, rapporterade 10 september i tidningen Natur Astronomi , föreslår att direkt bildning av dessa svarta hål skulle åtföljas av specifika typer av intensiv strålning, inklusive röntgenstrålar och ultraviolett emission som skulle övergå till infrarött när de når teleskopet. De svarta hålen skulle också sannolikt ge upphov till massiva metallfria stjärnor, ett fynd som var oväntat.

Forskningen stöddes av NASA, Los Alamos nationella laboratorium, National Science Foundation, Southern Regional Education Board och två Hubble -teoribidrag.

"Det finns supermassiva svarta hål i mitten av många stora galaxer, men vi har inte kunnat observera hur de bildas eller hur de blev så stora, "sa Kirk S. S. Barrow, tidningens första författare och en ny doktorsexamen examen från Georgia Tech's School of Physics. "Forskare har teoretiserat att dessa supermassiva svarta hål kunde ha bildats vid födelsen av en galax, och vi ville förvandla dessa teoretiska förutsägelser till observationsförutsägelser som skulle kunna ses av James Webb rymdteleskop. "

DCBH -bildning skulle initieras genom kollapsen av ett stort gasmoln under en tidig bildning av en galax, sade John H. Wise, en professor i Georgia Tech's School of Physics och Center for Relativistic Astrophysics. Men innan astronomer kunde hoppas fånga denna formation, de skulle behöva veta vad de ska leta efter i spektra som teleskopet kunde upptäcka, som huvudsakligen är infrarött.

Bildandet av ett svart hål kan kräva en miljon år eller så, men för att se hur det kan ha sett ut, tidigare postdoktor Aycin Aykutalp-nu vid Los Alamos National Laboratory-använde National Science Foundation-stödda Stampede Superdator vid University of Texas i Austin för att köra en simulering med fokus på efterdyningarna av DCBH-bildning. Simuleringen använde fysikens första principer som gravitation, strålning och hydrodynamik.

"Om galaxen bildas först och sedan bildas det svarta hålet i mitten, som skulle ha en typ av signatur, "sa Wise." Om det svarta hålet bildades först, skulle det ha en annan signatur? Vi ville ta reda på om det skulle finnas några fysiska skillnader, och i så fall om det skulle leda till skillnader som vi kunde observera med James Webb rymdteleskop. "

Simuleringarna gav information som tätheter och temperaturer, och Barrow konverterade dessa data till förutsägelser för vad som kan observeras genom teleskopet - det ljus som sannolikt kommer att observeras och hur det skulle påverkas av gas och damm som det skulle ha stött på under sin långa resa till jorden. "I slutet, vi hade något som en observatör förhoppningsvis kunde se, Sa Barrow.

Svarta hål tar ungefär en miljon år att bildas, en blipp i galaktisk tid. I DCBH -simuleringen, det första steget innebär att gas kollapsar till en supermassiv stjärna så mycket som 100, 000 gånger mer massiv än vår sol. Stjärnan genomgår sedan gravitationell instabilitet och kollapsar i sig själv för att bilda ett massivt svart hål. Strålning från det svarta hålet utlöser sedan bildandet av stjärnor under en period av cirka 500, 000 år, den föreslagna simuleringen.

"Stjärnorna i denna första generation är vanligtvis mycket mer massiva, så de lever en kortare tid, "Wise sa." Under de första fem till sex miljoner åren efter bildandet, de dör och blir supernova. Det är ytterligare en av signaturerna som vi rapporterar i den här studien. "

Efter supernovaformen, det svarta hålet tystnar men skapar en kamp mellan elektromagnetiska utsläpp-ultraviolett ljus och röntgenstrålar som försöker fly-och det svarta hålets egen gravitation. "Dessa cykler pågår i ytterligare 20 eller 30 miljoner år, "Sa Wise.

Svarta hål är relativt vanliga i universum, så förhoppningen är att med tillräckligt med ögonblicksbilder, astronomer kunde fånga en som föddes, och det kan leda till en ny förståelse för hur galaxer utvecklas över tiden.

Stjärnbildning runt DCBH var oväntad, men i efterhand, det är vettigt, Sa Barrow. Joniseringen som produceras av de svarta hålen skulle ge fotokemiska reaktioner som kan utlösa stjärnbildningen. Metallfria stjärnor tenderar att vara större än andra eftersom frånvaron av en metall som järn förhindrar fragmentering. Men eftersom de är så stora, dessa stjärnor producerar enorma mängder strålning och avslutar sina liv i supernovor, han sa.

"Detta är en av de sista stora mysterierna i det tidiga universum, "Barrow sa." Vi hoppas att denna studie ger ett bra steg mot att ta reda på hur dessa supermassiva svarta hål bildades vid en galaxs födelse. "