Uppkomsten av supermassiva svarta hål i universums gryning har förbryllat astronomer sedan de upptäcktes för mer än ett decennium sedan. Ett supermassivt svart hål tros bildas under miljarder år, men mer än två dussin av dessa blödningar har observerats inom 800 miljoner år efter Big Bang för 13,8 miljarder år sedan.

I en ny studie i tidskriften Natur Astronomi , ett team av forskare från Dublin City University, Columbia University, Georgia Tech, och Helsingfors universitet, lägg till bevis för en teori om hur dessa gamla svarta hål, ungefär en miljard gånger tyngre än vår sol, kan ha bildats och snabbt gått upp i vikt.

I datorsimuleringar, forskarna visar att ett svart hål snabbt kan växa i mitten av sin värdgalax om en närliggande galax sänder ut tillräckligt med strålning för att stänga av dess förmåga att bilda stjärnor. Således inaktiverad, värdgalaxen växer tills den slutligen kollapsar, bildar ett svart hål som livnär sig på den återstående gasen, och senare, damm, döende stjärnor, och möjligen andra svarta hål, att bli supergigantisk.

"Galaxens kollaps och bildandet av ett svart hål med miljoner solmassa tar 100, 000 år – ett stopp i kosmisk tid, " säger studiens medförfattare Zoltan Haiman, en astronomiprofessor vid Columbia University. "Några hundra miljoner år senare, det har vuxit till ett supermassivt svart hål med miljarder solmassa. Det här är mycket snabbare än vi förväntade oss."

I det tidiga universum, stjärnor och galaxer som bildades när molekylärt väte kyldes och tömde ett urplasma av väte och helium. Denna miljö skulle ha begränsat svarta hål från att växa sig mycket stora eftersom molekylärt väte förvandlade gas till stjärnor tillräckligt långt borta för att undkomma de svarta hålens gravitationskraft. Astronomer har kommit på flera sätt att supermassiva svarta hål kan ha övervunnit denna barriär.

I en studie från 2008, Haiman och hans kollegor antog att strålning från en massiv angränsande galax kunde dela molekylärt väte till atomärt väte och få det begynnande svarta hålet och dess värdgalax att kollapsa snarare än att skapa nya stjärnhopar.

En senare studie ledd av Eli Visbal, sedan postdoktor vid Columbia, beräknat att den närliggande galaxen skulle behöva vara minst 100 miljoner gånger mer massiv än vår sol för att sända ut tillräckligt med strålning för att stoppa stjärnbildningen. Även om det är relativt sällsynt, tillräckligt många galaxer av denna storlek finns i det tidiga universum för att förklara de supermassiva svarta hål som hittills observerats.

Den aktuella studien, ledd av John Regan, en postdoktor vid Irlands Dublin City University, modellerade processen med hjälp av programvara utvecklad av Columbias Greg Bryan, och inkluderar effekterna av gravitation, vätskedynamik, kemi och strålning.

Efter flera dagars siffror på en superdator, forskarna fann att den angränsande galaxen kan vara mindre och närmare än tidigare uppskattat. "Den närliggande galaxen kan inte vara för nära, eller för långt bort, och som Guldlocksprincipen, för varmt eller för kallt, "sa studiemedförfattaren John Wise, en associerad professor i astrofysik vid Georgia Tech.

Den aktuella studien, ledd av John Regan, en postdoktor vid Irlands Dublin City University, försökte modellera processen. Genom att använda simuleringar för att mäta hur strålning från en galax påverkade bildandet av svarta hål i den andra, forskarna fann att den angränsande galaxen kan vara mindre och närmare än tidigare uppskattat.

"Den närliggande galaxen kan inte vara för nära, eller för långt bort, och som Guldlocksprincipen, för varmt eller för kallt, "sa studiemedförfattaren John Wise, en associerad professor i astrofysik vid Georgia Tech.

Även om massiva svarta hål finns i mitten av de flesta galaxer i det mogna universum, inklusive vårt eget Vintergatan, de är mycket mindre vanliga i spädbarnsuniversum. De tidigaste supermassiva svarta hålen sågs först 2001 genom ett teleskop vid New Mexicos Apache Point Observatory som en del av Sloan Digital Sky Survey.

Forskarna hoppas kunna testa sin teori när NASA:s James Webb rymdteleskop, efterträdaren till Hubble, går online nästa år och strålar tillbaka bilder från det tidiga universum.

Andra modeller av hur dessa gamla behemoter utvecklades, inklusive ett där svarta hål växer genom att gå samman med miljontals mindre svarta hål och stjärnor, väntar på ytterligare tester. "Att förstå hur supermassiva svarta hål bildas berättar för oss hur galaxer, inklusive våra egna, forma och utvecklas, och slutligen, berättar mer om universum där vi lever, sa Regan, vid Dublin City University.

Studien heter, "Snabb bildning av massiva svarta hål i närheten av embryonala protogalaxier."