Svarta hål i det tidiga universum utgör lite av ett problem. Baserat på observationer från teleskop på jorden och i rymden, vi vet att vissa svarta hål växte till en miljard gånger solens massa bara en miljard år efter Big Bang. Våra nuvarande modeller för tillväxt av svarta hål, dock, kan inte förklara denna tillväxthastighet. Så hur kom dessa supermassiva svarta hål till?

Detta är ett problem som länge har plågat astronomer. Vår nuvarande uppfattning tyder på att under denna tidsram, endast så kallade mellanmassa svarta hål upp till 100, 000 gånger massan av vår sol borde ha kunnat växa. Och medan flera teorier för denna snabba tidiga tillväxt av svarta hål har föreslagits, svaret förblir svårfångat.

"Det är fortfarande ett stort problem inom astrofysik, " sa Dr John Regan, en astrofysiker från Dublin City University, Irland.

Svarta hål bildas efter att en massiv stjärna har slut på bränsle, ibland ett resultat av en supernova och andra gånger utan en supernova, som kallas det direkta kollapsscenariot. När en stjärna inte har något bränsle kvar att bränna, den kan inte längre stödja sin massa och kollapsar. Om stjärnans massa var tillräckligt stor, det kommer att kollapsa till ett föremål med en enorm gravitationskraft från vilken ingenting, inte ens ljus, kan fly — ett svart hål.

När det svarta hålet gradvis drar in mer och mer närliggande damm och gas kan det växa i storlek, så småningom nå de gigantiska proportionerna av ett supermassivt svart hål, som den första som någonsin avbildades i april 2019. Forskare undersöker nu om supermassiva svarta hål kunde ha bildats från supermassiva stjärnor som kollapsade och bildade stora "frö" svarta hål, ge dem ett försprång i sin tillväxt.

Dr. Regan koordinerade ett projekt som heter SmartStars, som använde en av de mest kraftfulla superdatorerna i Irland, ICHEC, att modellera hur superjättestjärnor kan ge frön till supermassiva svarta hål. Teamet ville se om dessa stjärnor kunde förklara den snabba tillväxten av supermassiva svarta hål, som vi ser i mitten av nästan varje galax idag.

250, 000

De fann att sådana stjärnor kunde växa upp till 250, 000 gånger solens massa inom 200 miljoner år efter Big Bang – ett lockande resultat. Dock, även superdatorer har sina begränsningar. Forskarna kunde bara modellera framtiden för sådana stjärnor i en miljon år, men modelleringen måste täcka 800 miljoner år för att se om dessa stjärnor verkligen kan vara frön till supermassiva svarta hål.

"Det är en alldeles utmärkt utgångspunkt, ", sa Dr. Regan. "Under nästa generation av superdatorer kommer vi att kunna föra dessa simuleringar längre och längre fram."

Andra teorier om hur dessa svarta hål växte så snabbt är att en liten bråkdel av svarta hål växte i otrolig hastighet, eller att mindre svarta hål slogs samman för att växa till ett supermassivt svart hål.

Dr Muhammad Latif, en astrofysiker vid United Arab Emirates University i Abu Dhabi, håller med Dr Regan om att den supermassiva stjärnmodellen förblir vår bästa teori för tillfället. Dr. Latif var huvudutredare för FIRSTBHs projekt som, som SmartStars, undersökte rimligheten av den supermassiva stjärnmodellen, med hjälp av simuleringar på en superdator i Frankrike.

Hans projekt, som genomfördes vid CNRS i Frankrike, visade att supermassiva stjärnor kunde producera svarta fröhål hundratusentals gånger vår sols massa. "Vi fann att den här metoden i princip är genomförbar, sade Dr Latif, förklarar att dessa initiala svarta fröhål är tillräckligt stora för att stå för tillväxten av supermassiva svarta hål av en miljard solmassor på en kort tidsram.

Dock, det kräver att förhållandena i det tidiga universum har varit helt rätt för att dessa svarta hål ska bildas. Stora mängder material gjorda av väte och helium skulle behövas för att bilda tillräckligt med massiva svarta fröhål för att producera supermassiva svarta hål, vilket verkar ha varit möjligt.

Men andra oförklarade faktorer gör att detta fortfarande är en öppen fråga. De svarta fröhålen skulle behöva dra in materia med en hastighet av minst 0,1 solmassor per år, till exempel, och i nuläget är det inte klart om detta är möjligt.

Observatorier

Flera observatorier gör det redan möjligt för oss att undersöka svarta hål i det tidiga universum med stor detaljrikedom. I oktober 2019, astronomer meddelade att de hade använt Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Chile för att hitta en tjock ring av damm och gas runt ett supermassivt svart hål inuti en avlägsen galax. Med två gasströmmar som roterar i motsatta riktningar, it's thought this ring could have fed the supermassive black hole with enough material to cause it to grow rapidly.

Tidigare, in August 2019, NASA's Chandra X-ray Observatory managed to spot a so-called 'cloaked' black hole growing rapidly when the universe was just 6% of its current age. A thick cloud of gas hides the black hole and its resulting quasar, a bright region of superheated material that surrounds it, but Chandra was able to spot it by seeing X-rays emerge from the cloud.

Dock, future telescopes will likely be needed to study the rapid growth of supermassive black holes in even more detail. Till exempel, while we can predict the existence of seed black holes, we can't yet see them. NASA's upcoming James Webb Space Telescope (JWST), due to launch in 2021, may be capable of spotting some of the undiscovered seed black holes.

The European Space Agency's Advanced Telescope for High Energy Astrophysics (ATHENA), under tiden, set to launch in 2031, should give us an even better understanding of how supermassive black holes arise.

"People are quite hopeful that we will get a rather better picture with the ATHENA mission, " said Dr. Latif. And maybe soon, we'll finally know how these huge objects grew so big in such a short space of time.

"It's like going to kindergarten and finding a seven-feet tall baby, " added Dr. Latif.