Projicerade densitetsfördelningar av mörk materia (bakgrund och topppanel) och gaskomponenter (nedre tre panelerna) när den massiva stjärnan bildas. Stjärnvaggan är extremt assymmetri som en bred kilformad struktur (mittpanel) på grund av de initiala överljudsrörelserna från Big Bang. Cirkeln i den högra panelen indikerar det gravitationellt instabila området med en massa på 26, 000 solmassor. Kredit:Shingo Hirano
Ett internationellt team av forskare har framgångsrikt använt en superdatorsimulering för att återskapa bildandet av ett massivt svart hål från supersoniska gasströmmar som lämnats från Big Bang. Deras studie, publicerad i veckans Vetenskap , visar att detta svarta hål kan vara källan till födelsen och utvecklingen av de största och äldsta supermassiva svarta hålen som registrerats i vårt universum.
"Detta är betydande framsteg. Ursprunget till de monstruösa svarta hålen har varit ett långvarigt mysterium och nu har vi en lösning på det, " sa författaren och Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universum (Kavli IPMU) huvudforskare Naoki Yoshida.
Nyligen upptäckta av dessa supermassiva svarta hål som ligger 13 miljarder ljusår bort, motsvarande när universum bara var fem procent av sin nuvarande ålder, utgör en allvarlig utmaning för teorin om svarta håls bildning och evolution. De fysiska mekanismerna som bildar svarta hål och driver deras tillväxt är dåligt förstådda.
Teoretiska studier har föreslagit att dessa svarta hål har bildats av rester av den första generationen stjärnor, eller från en direkt gravitationskollaps av ett massivt ur -gasmoln. Dock, dessa teorier har antingen svårt att bilda supermassiva svarta hål tillräckligt snabbt, eller kräver mycket speciella förhållanden.
Yoshida och JSPS Overseas Research Fellow Shingo Hirano, för närvarande vid University of Texas i Austin, identifierade en lovande fysisk process genom vilken ett massivt svart hål kunde bildas tillräckligt snabbt. Nyckeln var att införliva effekten av supersoniska gasrörelser med avseende på mörk materia. Teamets superdatorsimuleringar visade att en massiv klump mörk materia hade bildats när universum var 100 miljoner år gammalt. Supersoniska gasströmmar som genererades av Big Bang fångades upp av mörk materia för att bilda en tät, turbulent gasmoln. Inuti, en protostjärna började bildas, och eftersom den omgivande gasen gav mer än tillräckligt med material att mata på, stjärnan kunde växa sig extremt stor på kort tid utan att släppa ut mycket strålning.
Gasdensitetsfördelningen runt den nyfödda protostjärnan. Överljudsrörelsen från vänster till höger resulterar i den icke-sfäriska, komprimerad densitetsstruktur. Det kollapsade inre molnet visar också det turbulerade föremålet, som snabbt kan ansamlas på den centrala protostjärnan och orsaka en snabb masstillväxt av den. Upphovsman:Shingo Hirano
"När vi nått massan 34, 000 gånger vår sol, stjärnan kollapsade av sin egen gravitation, lämnar ett massivt svart hål. Dessa massiva svarta hål som föddes i det tidiga universum fortsatte att växa och smälta samman för att bli ett supermassivt svart hål, sa Yoshida.
"Talstätheten för massiva svarta hål härleds till att vara ungefär en per volym på tre miljarder ljusår på en sida - anmärkningsvärt nära den observerade taltätheten för supermassiva svarta hål, sa Hirano.
Utvecklingen av temperatur- och densitetsstrukturen i den protostellära ackretionsfasen efter protostjärnbildningen. Den snabba ansamlingen av tätt gasmoln (vit kontur) begränsar en expansion av det fotojoniserade området (rött) vilket är möjligt att stänga av gasansamlingen. Upphovsman:Takashi Hosokawa
Resultatet från denna studie kommer att vara viktigt för framtida forskning om tillväxten av massiva svarta hål. Speciellt med det ökade antalet svarta hålsobservationer i det avlägsna universum som förväntas göras när NASA:s rymdteleskop James Webb skjuts upp nästa år.
Denna forskning publicerades i Vetenskap den 28 september.
