Även om deras existens är obestridlig, astronomer över hela världen är fortfarande osäkra på hur supermassiva svarta hål faktiskt bildas. Ett EU-finansierat projekt har tagit sig an att besvara denna fråga genom att simulera bildandet och tillväxten av deras frön-svarta hål skapade när en extremt massiv stjärna kollapsar.

Detta är en av de mest förbryllande frågorna inom astronomi:Hur kunde supermassiva svarta hål bildas i de tidiga kosmiska åldrarna? Avlägsna lysande kvasarer har observerats som förråder deras existens tillbaka när universum var mindre än en miljard år gammalt. Men här är saken:den konventionella tillväxtprocessen för ett svart hål är alldeles för långsam för att tillåta deras existens.

Det finns potentiella förklaringar. Det har sagts, till exempel, att dessa supermassiva svarta hål föddes från explosionen av supermassiva stjärnor, från kollapsen av stora gasmoln, eller till och med från kollisioner mellan mindre svarta hål. Teorin som behöll Dr Muhammad Latifs uppmärksamhet, dock, var att sådana svarta hål faktiskt växte från extremt stora, "direkt kollaps" frö svarta hål.

Tack vare finansiering under FIRSTBHS-projektet (bildandet av supermassiva svarta hål i det tidiga universum), Dr Latif simulerade bildandet och tillväxten av dessa frön.

Vad gör de första supermassiva svarta hålen så intressanta?

De första supermassiva svarta hålen är mycket intressanta eftersom de bildades i spädbarnsuniversum, inom de första miljarderna åren efter Bing Bang, bara en liten bråkdel av universums nuvarande ålder (13,7 miljarder år). De utmanar vår förståelse av strukturbildning i universum.

En bra liknelse skulle vara en situation där du skulle gå till ett dagis och hitta en sju fot lång unge. Du kommer naturligtvis att undra hur denna unge någonsin kunde växa till en sådan höjd. Det är samma sak med dessa svarta hål:deras massor är miljarder gånger större än vår sols, och det är svårt att förstå hur de kunde bli så massiva på en så kort tidsram, när stjärnor och galaxer precis började bildas.

Mer specifikt, vilka kunskapsluckor siktade du på att täppa till med det här projektet?

Vi strävade efter att förstå vad det mest möjliga sättet att sätta ihop sådana massiva föremål skulle vara. Det finns tre huvudsakliga astrofysiska mekanismer som kan leda till bildandet av de första supermassiva svarta hålen. Det mest lovande scenariot är den så kallade direktkollapsmetoden:Den ger massiva frön, vilket underlättar deras tillväxt.

Med detta projekt, vi hade som mål att utforska genomförbarheten av detta scenario, hur massiva fröna den kan ge är och hur riklig de är, jämföra deras antalstäthet med observationer och undersöka i detalj de underliggande astrofysiska mekanismerna. Vi syftade vidare till att härleda deras observationssignaturer och göra förutsägelser för kommande rymd- och markbaserade uppdrag.

Hur gick du tillväga för att göra det?

Vi utförde så kallade tredimensionella kosmologiska simuleringar med början från initiala initiala förhållanden genom att i detalj modellera alla nödvändiga fysiska processer.

Vilka skulle du säga var de mest innovativa aspekterna av denna metod?

Jag skulle säga att det är multifysiken i vår kosmologiska simulering, som inkluderade detaljerade kemiska och olösta turbulensmodeller, magnetiska fält, strålningsöverföring till modell UV, Röntgenåterkoppling från anhopande svarta hål och stjärnor, samt metallanrikning. Detta tillvägagångssätt är bortom det senaste inom området.

Vilka var de viktigaste resultaten från projektet?

Våra resultat visar att direktkollapsmekanismen ger massiva svarta fröhål på 10^5 till 10^6 solmassor, som kan växa och bilda de första supermassiva svarta hålen.

Förutsättningarna för bildandet av sådana föremål är idealiska i det tidiga universum. Särskilt, de orörda massiva glororna upplysta av starkt UV-flöde är de potentiella vaggorna för bildandet av massiva svarta hål. Våra resultat tyder på att sådana föremål är sällsynta, eftersom de kräver särskilda villkor för att bildas – men detta diskuteras fortfarande bland experter.

Vad förväntar du dig av JWST- och ATHENA-uppdragen?

Vi hoppas att JWST kommer att hitta några av de svarta fröhålen, eftersom dessa avlägsna föremål är ganska svaga i tidiga skeden. Självklart, det beror också på hur många de är, som fortfarande är en öppen fråga.

ATHENA ser mer lovande ut, eftersom den förväntas detektera några hundra lågljusstyrka AGN vid z> 6 som kommer att hjälpa till att begränsa svarta håls bildningsmodeller.

Vilka är dina uppföljningsplaner, om någon?

Vi undersöker för närvarande tillväxten av svarta hål i det tidiga universum som vi har utfört detaljerade simuleringar för. Med mina medarbetare, vi försöker förstå hur feedback från det svarta hålet och stjärnorna påverkar tillväxten av svarta hål, och även miljöns roll, kalla strömmar som matar dessa svarta hål, etc. Vi strävar efter att härleda syntetiska observerbara data för E-ELT, Euklid, ATHENA, JWST och SKA, och vi hoppas att ett sådant tillvägagångssätt kommer att hjälpa oss att förstå bildandet och tillväxten av de första supermassiva svarta hålen.