Ögonblicksbilder av simuleringarna som visar fördelningen av materia i universum vid tiden för svarta håls bildning (överst) och densitetsfördelningen av svarta hålsproducerande gasmoln (nederst). I den nedre panelen, de svarta prickarna nära mitten av figuren representerar massiva stjärnor, som tros utvecklas till ett svart hål med tiden. De vita prickarna representerar stjärnor som är mindre än 10 solmassa och bildades genom fragmenteringen av gasmolnet. Många av de mindre stjärnorna smälter samman med de supermassiva stjärnorna i mitten, låter de massiva stjärnorna växa effektivt. Kredit:Sunmyon Chon
Datorsimuleringar utförda av astrofysiker vid Tohoku University i Japan, har avslöjat en ny teori för uppkomsten av supermassiva svarta hål. I denna teori, föregångarna till supermassiva svarta hål växer genom att inte bara svälja interstellär gas, men även mindre stjärnor. Detta hjälper till att förklara det stora antalet supermassiva svarta hål som observeras idag.
Nästan varje galax i det moderna universum har ett supermassivt svart hål i mitten. Deras massor kan ibland nå upp till 10 miljarder gånger solens massa. Dock, deras ursprung är fortfarande ett av astronomins stora mysterier. En populär teori är modellen för direkt kollaps där urmoln av interstellär gas kollapsar under självgravitation för att bilda supermassiva stjärnor som sedan utvecklas till supermassiva svarta hål. Men tidigare studier har visat att direkt kollaps bara fungerar med orörd gas som endast består av väte och helium. Tyngre grundämnen som kol och syre förändrar gasdynamiken, får den kollapsande gasen att splittras till många mindre moln som bildar egna små stjärnor, snarare än några få supermassiva stjärnor. Direkt kollaps från orörd gas ensam kan inte förklara det stora antalet supermassiva svarta hål som ses idag.
Sunmyon Chon, en postdoktor vid Japan Society for the Promotion of Science och Tohoku University och hans team använde National Astronomical Observatory of Japans superdator "ATERUI II" för att utföra långsiktiga 3-D högupplösta simuleringar för att testa möjligheten att supermassiva stjärnor kunde bildas även i tunga element-berikad gas. Stjärnbildning i gasmoln inklusive tunga element har varit svår att simulera på grund av beräkningskostnaden för att simulera den våldsamma splittringen av gasen, men framsteg inom datorkraft, speciellt den höga beräkningshastigheten för "ATERUI II" som togs i bruk 2018, gjorde det möjligt för teamet att övervinna denna utmaning. Dessa nya simuleringar gör det möjligt att studera bildandet av stjärnor från gasmoln mer i detalj.
Konstnärens intryck av bildandet av supermassiva stjärnor som utvecklas till ett supermassivt svart hål. Kredit:NAOJ
I motsats till tidigare förutsägelser, forskargruppen fann att supermassiva stjärnor fortfarande kan bildas från gasmoln som berikats med tunga element. Som förväntat, gasmolnet bryts upp våldsamt och många mindre stjärnor bildas. Dock, det finns ett starkt gasflöde mot mitten av molnet; de mindre stjärnorna dras av detta flöde och uppslukas av de massiva stjärnorna i mitten. Simuleringarna resulterade i bildandet av en massiv stjärna 10, 000 gånger mer massiv än solen. "Detta är första gången som vi har visat bildandet av ett så stort svart håls föregångare i moln berikade med tunga element. Vi tror att den gigantiska stjärnan som sålunda bildas kommer att fortsätta att växa och utvecklas till ett gigantiskt svart hål, säger Chon.
Denna nya modell visar att inte bara urgas, men även gas som innehåller tunga grundämnen kan bilda jättestjärnor, som är fröna till svarta hål. "Vår nya modell kan förklara uppkomsten av fler svarta hål än de tidigare studierna, och detta resultat leder till en enhetlig förståelse av ursprunget till supermassiva svarta hål, " säger Kazuyuki Omukai, en professor vid Tohoku University.
