Ilustracija ranog Svemira. Kreditna slika: NASA. Klikni za veću sliku
Sve je počelo davno dok je svemir bio vrlo mlad. Najranije masivne zvijezde uzgajale su se u mladosti - vrteći se i njegujući među bogatim zelenim travama djevičanske materije. Kako je vrijeme koje im je prolazilo, nuklearni motori ispuštali su velike tokove vrućeg vodika i helijuma - obogaćujući međuzvijezdane medije. Tijekom ove faze, supermasivni zvjezdani grozdovi formirali su se u malim džepovima u blizini matičnih galaktičkih jezgara - svaki grozd pliva u malim predjelima prvobitne mini-halo materije.
Završavajući svoj ciklus, eksplodirale su najranije zvijezde uzgajivača, stvarajući teške atome. Ali prije nego što se u Svemiru nagomilalo previše teške materije, formirale su se najranije crne rupe, brzo rasle međusobnom asimilacijom i akumulirale dovoljno gravitacijskog utjecaja da izvuku „Zlatokockice“ plinove precizne temperature i sastav u velike široke diskove. Ova superkritična faza rasta brzo je sazrijevala najranije masivne crne rupe (MBH) do supermasivne crne rupe (SMBH). Od toga su najstariji kvazari prebivali u stopljenim mini haloima brojnih protogalaksija.
Ova slika nastajanja ranog kvazara nastala je iz nedavnog rada (objavljenog 2. lipnja 2005.) pod naslovom „Brzi rast visokih crnih rupa“ koji su napisali kozmolozi iz Cambridgea, Martin J. Rees i Marta Volonteri. Ta studija tretira mogućnost da se kratki prozor brzog stvaranja SMBH otvorio nakon vremena univerzalne transparentnosti, ali prije nego što su se plinovi u međuzvjezdanom mediju potpuno ponovno ionizirali zvjezdanim zračenjem i zasipali supernovima teški metali. Model Rees-Volonteri pokušava objasniti činjenice koje proizlaze iz podataka Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Već milijardu godina nakon Velikog praska, već su se formirali mnogi vrlo blistavi kvazari. Svaka sa SMBH ima mase veće od milijardu sunca. Oni su nastali iz "sjemenskih crnih rupa" - gravitacijskih kalema zaostalih nakon najranijeg ciklusa urušavanja supernova među prvim masivnim galaktičkim klasterima. Do milijarde godina nakon Velikog praska, sve je bilo gotovo. Kako se tolika masa mogla tako brzo kondenzirati u tako male prostore?
Prema Volontariju i Reesu, „da bi se uzgajalo takvo sjeme do milijardu solarnih masa potrebno je gotovo neprekidno akumulacija plina ...“ Radom protiv tako visoke stope akumulacije, činjenica je da se radijacija iz materije koja pada u crnu rupu obično nadoknađuje brzo “ debljanje “. Većina modela rasta SMBH pokazuje da se oko 30% mase koja pada prema intermedijarnoj (masivnoj - ne supermasivi) crnoj rupi pretvara u zračenje. Učinak toga je dvostruk: Materija koja bi inače nahranila MBH gubi se na radijaciji, a vanjski zračni tlak guši maršu dodatne materije prema unutra kako bi nahranio brzi rast.
Ključ za razumijevanje brzog stvaranja SMBH leži u mogućnosti da diskovi rane akreditacije oko MBH-a nisu bili tako optički gusti kao danas - već "masni" s malobrojno raspoređenom tvari. U takvim uvjetima, zračenje ima širi srednji slobodni put i može pobjeći dalje od diskova bez ometanja kretanja materije prema unutra. Gorivo koje pokreće cijeli proces rasta SMBH isporučuje se bogato u horizont događaja crne rupe. U međuvremenu, vrsta tvari prisutna u najranijoj epohi bila je uglavnom monatomski vodik i helij - a ne vrsta akrecijskih diskova bogatih teškim metalima kasnijeg razdoblja. Sve ovo upućuje na zaključak da je rani MBH odrastao u žurbi, što je u konačnici odgovaralo mnogim potpuno zrelim kvazarima koji se vide u SDSS-u. Takvi rani MBH-ovi zacijelo su imali omjere konverzije mase-energije više tipične za potpuno zrele SMBH od današnjih MBH.
Volontari i Rees kažu da su raniji istražitelji pokazali da potpuno razvijeni „kvazari imaju efikasnost pretvorbe mase-energije od približno 10% ...“ Par upozorava, međutim, da ta vrijednost pretvorbe mase-energije proizlazi iz studija kvazara iz kasnijeg razdoblja u Universal ekspanzije i da se "ništa ne zna o radijalnoj učinkovitosti pregalaktičkih kvazara u ranom Svemiru." Iz tog razloga „slika Svemira sa slabim crvenim pomakom možda se neće primjenjivati u ranijim vremenima“. Jasno je da je rani Svemir bio gušće nabijen materijom, da je tvar bila na višoj temperaturi i veći je odnos nekovina i metala. Svi ti faktori kažu da je gotovo svatko najbolji pogodak u pogledu učinkovitosti pretvorbe mase-energije ranih MBH-ova. Budući da sada moramo objasniti zašto toliko SMBH postoji među ranim kvazarima, ima smisla da Volontari i Rees koriste ono što znaju o današnjim akretacijskim diskovima kao sredstvo da objasne kako su se takvi diskovi možda razlikovali u prošlosti.
I upravo su najranija vremena - prije zračenja iz brojnih zvijezda reioniziranih plinova unutar međuzvjezdanih medija - nudila uvjete za brzo stvaranje SMBH. Takvi su uvjeti možda trajali manje od 100 milijuna godina i zahtijevali adekvatnu ravnotežu temperature, gustoće, distribucije i sastava tvari u Svemiru.
Da bismo dobili cjelovitu sliku (kako je to prikazano u radu), započinjemo s idejom da je rani svemir bio naseljen od bezbrojnih mini-haloa koji su se sastojali od tamnih i barionskih materija s visoko masivnim, ali vrlo gustim zvjezdastim nakupinama u svojoj sredini. Zbog gustoće ovih grozdova - i mase zvijezda koje ih sadrže - supernove su se brzo razvile kako bi rodile brojne „sjemenske crne rupe“. Ti sjemenski BH-ovi su se stopili u masne crne rupe. U međuvremenu, gravitacijske sile i stvarni pokreti brzo su spojili različite mini-haloge. Tako su stvoreni sve masivniji oreoli sposobni hraniti MBH.
U ranom Svemiru, materija koja je okruživala MBH je imala oblik ogromnih metala siromašnih vodika i helija u prosjeku oko 8000 stupnjeva Kelvina. Pri tako visokim temperaturama atomi ostaju ionizirani. Zbog ionizacije bilo je malo elektrona povezanih s atomima koji bi mogli djelovati kao zamke fotona. Učinci pritiska zračenja smanjivali su se do točke kada je materija lakše padala u horizont događaja crnih rupa. U međuvremenu, slobodni elektroni sami raspršuju svjetlost. Dio te svjetlosti zapravo se ponovo zrači prema nasipnom disku, a drugi izvor mase - u obliku energije, napaja sustav. Konačno, nedostatak teških metala - kisika, ugljika i dušika - znači da monotomski atomi ostaju vrući. Kako temperature padaju ispod 4.000 stupnjeva K, atomi deioniziraju i ponovo postaju podložni radijacijskom tlaku smanjujući protok svježe tvari koji pada u horizont događaja BiH. Sva ta čisto fizička svojstva nastojala su smanjiti omjere mase-energetske učinkovitosti - omogućujući MBH-ovima da brzo dobivaju na težini.
U međuvremenu, dok su se mini haloi koalirali, vruća barijenska materija kondenzirala se u ogromne "debele" diskove - ne tanke prstenove koji se danas vide oko SMBH. Do toga je došlo jer je sama halo materija u potpunosti okružila brzo rastuće MBH. Ova sferoidna raspodjela materije bila je stalni izvor svježe, vruće, djevičanske materije koja se hranilastom pločicom hranila iz različitih uglova. Debeli diskovi značili su veće količine tvari s nižom optičkom gustoćom. Još jednom, materija je uspjela izbjeći da se „jedri na solarni pogon“ prema van od nadređene mave MBH i koeficijenti pretvorbe mase-energije su opali.
Oba faktora - masni diskovi i jonizirani atomi male mase - govore da je tijekom zlatnog doba ranog zelenog svemira MBH brzo odrastao. Unutar milijarde godina Velikog praska, nastanili su se u relativno mirnoj zrelosti, učinkovito pretvarajući materiju u svjetlost i bacajući je svjetlošću kroz ogromne domete vremena i prostora u potencijalno rastući svemir.
Napisao Jeff Barbour
