De är miljarder gånger större än vår sol:hur är det möjligt att, som nyligen observerats, supermassiva svarta hål fanns redan när universum, nu 14 miljarder år gammal, var "bara" 800 miljoner år gammal? För astrofysiker, bildandet av dessa kosmiska monster på så kort tid är en verklig vetenskaplig huvudvärk, vilket väcker viktiga frågor om den nuvarande kunskapen om dessa himlakroppars utveckling.

En nyligen publicerad artikel i The Astrophysical Journal , av SISSA Ph.D. student Lumen Boco och hans handledare Andrea Lapi, ger en möjlig förklaring till den svåra frågan. Tack vare en originalmodell som teoretiserats av forskarna från Trieste, studien föreslår en mycket snabb bildningsprocess i de inledande faserna av utvecklingen av supermassiva svarta hål, de som hittills ansetts vara långsammare. bevisar, matematiskt, att deras existens var möjlig i det unga universum, resultaten av forskningen förenar den tidpunkt som krävs för deras tillväxt med de gränser som sätts av kosmos ålder. Teorin kan valideras fullt ut tack vare framtida gravitationsvågsdetektorer, nämligen Einstein-teleskopet och LISA, men testad i flera grundläggande aspekter även med det nuvarande Advanced LIGO/Virgo-systemet.

Det kosmiska monstret som växer i mitten av galaxer

Forskarna började sin studie med ett välkänt observationsbevis:tillväxten av supermassiva svarta hål sker i de centrala delarna av galaxer, stamfader till de nuvarande elliptiska galaxerna, som hade en mycket hög gashalt och där stjärnbildningen var extremt intensiv. "De största stjärnorna lever en kort tid och utvecklas mycket snabbt till fantastiska svarta hål, så stora som flera tjog solmassor; de är små, men många bildas i dessa galaxer." Den täta gasen som omger dem, förklara Boco och Lapi, har en mycket kraftfull definitiv effekt av dynamisk friktion och får dem att migrera mycket snabbt till mitten av galaxen. Majoriteten av de många svarta hålen som når de centrala regionerna smälter samman, skapar det supermassiva svarta hålsfröet.

Boco och Lapi fortsätter:"Enligt klassiska teorier, ett supermassivt svart hål växer i mitten av en galax som fångar den omgivande materien, främst gas, "odla den" på sig själv och slutligen sluka den i en rytm som är proportionell mot dess massa. Av denna anledning, under de inledande faserna av dess utveckling, när massan av det svarta hålet är liten, tillväxten är mycket långsam. Så pass att, enligt beräkningarna, för att nå den observerade massan, miljarder gånger solens, mycket lång tid skulle krävas, till och med högre än det unga universums ålder." Deras studie, dock, visade att saker kunde gå mycket snabbare än så.

Det galna strecket av svarta hål:Vad forskarna har upptäckt

"Våra numeriska beräkningar visar att processen med dynamisk migration och sammansmältning av stjärnsvarta hål kan få det supermassiva svarta hålsfröet att nå en massa på mellan 10, 000 och 100, 000 gånger solens på bara 50-100 miljoner år." forskarna säger, "tillväxten av det centrala svarta hålet enligt den tidigare nämnda direkta ansamlingen av gas, förutsatt av standardteorin, kommer att bli väldigt snabb, eftersom mängden gas som den kommer att lyckas attrahera och absorbera kommer att bli enorm, och dominerande på den process vi föreslår. Ändå, just det faktum att utgå från ett så stort frö som vår mekanism förutsätter påskyndar den globala tillväxten av det supermassiva svarta hålet och tillåter dess bildning, även i det unga universum. Kortfattat, mot bakgrund av denna teori, vi kan konstatera att 800 miljoner år efter Big Bang, supermassiva svarta hål kunde redan befolka kosmos."

"Titta" på de supermassiva svarta hålsfröna växer

Artikeln, förutom att illustrera modellen och demonstrera dess effektivitet, föreslår också en metod för att testa det:"Samsmältningen av ett stort antal stjärniga svarta hål med fröet från det supermassiva svarta hålet i centrum kommer att producera gravitationsvågor som vi förväntar oss att se och studera med nuvarande och framtida detektorer, förklarar forskarna. I synnerhet, gravitationsvågorna som emitteras i de inledande faserna, när det centrala svarta hålsfröet fortfarande är litet, kommer att kunna identifieras av nuvarande detektorer som Advanced LIGO/Virgo och fullt karakteriserbara av det framtida Einstein-teleskopet. De efterföljande utvecklingsfaserna av det supermassiva svarta hålet kunde undersökas tack vare den framtida detektorn LISA, som kommer att skjutas upp i rymden runt 2034. På så sätt förklara Boco och Lapi, "processen vi föreslår kan valideras i dess olika faser, på ett kompletterande sätt, av framtida gravitationsvågsdetektorer."

"Denna forskning" avslutar Andrea Lapi, koordinator för astrofysik- och kosmologigruppen vid SISSA, "visar hur studenterna och forskarna i vår grupp fullt ut närmar sig den nya gränsen för gravitationsvågor och multi-budbärarastronomi. I synnerhet, vårt huvudmål kommer att vara att utveckla teoretiska modeller, som i det här fallet, som tjänar till att utnyttja den information som härrör från experimenten med nuvarande och framtida gravitationsvågor, därigenom förhoppningsvis ge lösningar för olösta problem kopplade till astrofysik, kosmologi och grundläggande fysik."