Ljuset som frigörs från de första massiva svarta hålen i universum är så intensivt att det kan nå teleskop över hela universums vidd. Otroligt, ljuset från de mest avlägsna svarta hålen (eller kvasarerna) har färdats till oss i mer än 13 miljarder ljusår. Dock, vi vet inte hur dessa monstersvarta hål bildades.

Ny forskning ledd av forskare från Georgia Institute of Technology, Dublin City University, Michigan State University, University of California i San Diego, San Diego Supercomputer Center och IBM, ger en ny och extremt lovande väg för att lösa denna kosmiska gåta. Teamet visade att när galaxer samlas extremt snabbt - och ibland våldsamt - kan det leda till bildandet av mycket massiva svarta hål. I dessa sällsynta galaxer, normal stjärnbildning störs och svarthålsbildning tar över.

Den nya studien visar att massiva svarta hål bildas i täta stjärnlösa regioner som växer snabbt, vända upp och ner på den sedan länge accepterade tron ​​att bildning av massiva svarta hål var begränsad till regioner som bombarderades av den kraftfulla strålningen från närliggande galaxer. Slutsatser av studien, rapporterade den 23 januari i tidskriften Natur och stöds av finansiering från National Science Foundation, Europeiska unionen och NASA, finner också att massiva svarta hål är mycket vanligare i universum än man tidigare trott.

Nyckelkriterierna för att bestämma var massiva svarta hål bildades under universums barndom relaterar till den snabba tillväxten av pre-galaktiska gasmoln som är föregångare till alla dagens galaxer, vilket betyder att de flesta supermassiva svarta hål har ett gemensamt ursprung som bildas i detta nyupptäckta scenario, sa John Wise, en docent vid Center for Relativistic Astrophysics vid Georgia Tech och tidningens motsvarande författare. Mörk materia kollapsar till glorier som är gravitationslimmet för alla galaxer. Tidig snabb tillväxt av dessa halos förhindrade bildandet av stjärnor som skulle ha konkurrerat med svarta hål om gasformigt material som flödar in i området.

"I den här studien, vi har avslöjat en helt ny mekanism som sätter igång bildandet av massiva svarta hål, särskilt mörk materia-glorier, " sa Wise. "Istället för att bara överväga strålning, vi måste titta på hur snabbt glororna växer. Vi behöver inte så mycket fysik för att förstå det – bara hur den mörka materian är fördelad och hur gravitationen kommer att påverka det. Att bilda ett massivt svart hål kräver att man befinner sig i ett sällsynt område med en intensiv konvergens av materia."

När forskargruppen hittade dessa svarta håls formationsplatser i simuleringen, de var först stummade, sa John Regan, forskare vid Centre for Astrophysics and Relativity vid Dublin City University. Det tidigare accepterade paradigmet var att massiva svarta hål bara kunde bildas när de utsätts för höga nivåer av närliggande strålning.

"Tidigare teorier föreslog att detta bara skulle hända när platserna exponerades för höga nivåer av stjärnbildning som dödar strålning, " sa han. "När vi grävde djupare, vi såg att dessa platser genomgick en period av extremt snabb tillväxt. Det var nyckeln. Den snabba sammankomstens våldsamma och turbulenta karaktär, det våldsamma sammanbrottet av galaxens grunder under galaxens födelse förhindrade normal stjärnbildning och ledde till perfekta förhållanden för bildandet av svarta hål istället. Denna forskning förändrar det tidigare paradigmet och öppnar upp ett helt nytt forskningsområde."

Den tidigare teorin förlitade sig på intensiv ultraviolett strålning från en närliggande galax för att hämma bildandet av stjärnor i den svarta hålsbildande gloria, sa Michael Norman, chef för San Diego Supercomputer Center vid UC San Diego och en av verkets författare. "Medan UV-strålning fortfarande är en faktor, vårt arbete har visat att det inte är den dominerande faktorn, åtminstone i våra simuleringar, " han förklarade.

Forskningen baserades på Renaissance Simulation Suite, en datauppsättning på 70 terabyte skapad på Blue Waters superdator mellan 2011 och 2014 för att hjälpa forskare att förstå hur universum utvecklades under dess första år. För att lära dig mer om specifika regioner där massiva svarta hål sannolikt skulle utvecklas, forskarna undersökte simuleringsdata och fann tio specifika mörk materia-glorier som borde ha bildat stjärnor med tanke på deras massa men som bara innehöll ett tätt gasmoln. Genom att använda superdatorn Stampede2, de återsimulerade sedan två av dessa glorior – var och en cirka 2, 400 ljusår tvärs över – med mycket högre upplösning för att förstå detaljer om vad som hände i dem 270 miljoner år efter Big Bang.

"Det var bara i dessa alltför täta områden av universum som vi såg dessa svarta hål bildas, " sa Wise. "Den mörka materien skapar det mesta av gravitationen, och sedan faller gasen in i den gravitationspotentialen, där den kan bilda stjärnor eller ett massivt svart hål."

Renässanssimuleringarna är de mest omfattande simuleringarna av de tidigaste stadierna av gravitationssammansättningen av den orörda gasen som består av väte och helium och kall mörk materia som leder till bildandet av de första stjärnorna och galaxerna. De använder en teknik som kallas adaptiv nätförfining för att zooma in på täta klumpar som bildar stjärnor eller svarta hål. Dessutom, de täcker ett tillräckligt stort område av det tidiga universum för att bilda tusentals föremål – ett krav om man är intresserad av sällsynta föremål, som fallet är här. "Den höga upplösningen, rik fysik och ett stort urval av kollapsande glorier behövdes alla för att uppnå detta resultat, sa Norman.

Den förbättrade upplösningen av simuleringen som gjordes för två kandidatregioner gjorde det möjligt för forskarna att se turbulens och inflödet av gas och klumpar av materia som bildades när det svarta hålets prekursorer började kondensera och snurra. Deras tillväxttakt var dramatisk.

"Astronomers observe supermassive black holes that have grown to a billion solar masses in 800 million years, " Wise said. "Doing that required an intense convergence of mass in that region. You would expect that in regions where galaxies were forming at very early times."

Another aspect of the research is that the halos that give birth to black holes may be more common than previously believed.

"An exciting component of this work is the discovery that these types of halos, though rare, may be common enough, " said Brian O'Shea, a professor at Michigan State University. "We predict that this scenario would happen enough to be the origin of the most massive black holes that are observed, both early in the universe and in galaxies at the present day."

Future work with these simulations will look at the lifecycle of these massive black hole formation galaxies, studying the formation, growth and evolution of the first massive black holes across time. "Our next goal is to probe the further evolution of these exotic objects. Where are these black holes today? Can we detect evidence of them in the local universe or with gravitational waves?" Regan asked.

For these new answers, the research team—and others—may return to the simulations.

"The Renaissance Simulations are sufficiently rich that other discoveries can be made using data already computed, " said Norman. "For this reason we have created a public archive at SDSC containing called the Renaissance Simulations Laboratory where others can pursue questions of their own."