První černé díry možná měly nadzvukovou pomoc

Proudy plynu v ranném vesmíru možná příliš brzy zamlžovaly mraky, což jim umožnilo růst v masivní semena černé díry.

Ve vesmíru existují oodles supermasivních černých děr. Vidíme záři jejich přehřátého plynového tutusu až k prvním miliardám let vesmíru a masy, které z těchto záře vyvodíme, jsou úžasné: miliardykrát větší množství Slunce.

Tento snímek ukazuje distribuci hustoty plynu kolem novorozence protostar v simulaci týmu. Nadzvukové pohyby plynu vytvářejí asymetrickou strukturu. Sbalený vnitřní mrak se může rychle vrhnout na centrální protostar a zrychlit jeho růst.
Shingo Hirano

Jednou z velkých otázek, se kterými se astronomové v současné době potýkají, je, jak se vytvořily první obrovské černé díry? Tuto otázku jsem hlouběji prozkoumal v našem průvodním příběhu z ledna 2017, ale abych vám dal krátkou verzi: buď začaly malé a posílené opravdu rychle, nebo začaly velké.

Druhá cesta se nazývá přímý kolaps . V tomto scénáři se neobvykle mohutný oblak plynu dokáže zhroutit do černé díry zhruba 10 000 solárních hmot (možná dočasně září jako supermasivní protostar po cestě). Aby se to stalo, cloud se musí vyhnout fragmentaci do menších shluků, když se zhroutí - což je to, co by obvykle dělalo. Jedním ze způsobů, jak se vyhnout fragmentaci, je to, aby plyn zůstal na stejné teplotě, jako se smršťuje, což je proces zvaný izotermální kolaps .

Hlavní způsob, jak to astronomové dosáhnou ve svých simulacích, je mít mnoho mladých hvězd v blízkosti cloudu. Jejich ultrafialové záření by rozbilo jakýkoli molekulární vodík v cloudu, a protože molekulární vodík pomáhá ochladit plyn, mrak se neochladí tak rychle, že se rozpadne. Výzvy, které přicházejí s tímto scénářem, však způsobují, že někteří astronomové rozmrzí.

V návaznosti na předchozí práci Shingo Hirano (University of Texas, Austin a University of Tokyo) a jeho kolegové zvolili odlišný přístup: umístili mraky do prostředí, kde se plyn pohybuje nadzvukovou rychlostí.

Tyto tekoucí toky by existovaly v raném vesmíru kvůli podmínkám v prvních několika stovkách tisíc let kosmické historie, než se vesmír dostatečně ochladil, aby se světlo a hmota oddělily. V této prapůvodní plazmatické polévce se temná hmota začala gravitačně hromadit, ale baryony a fotony se vzájemně ovlivňovaly a odolávaly tahu. Výsledná vůle vytvořila toky. Když se vesmír později ochladil, rychlost zvuku klesla pod rychlost těchto toků, což je ve výchozím nastavení nadzvukové.

Hiranoův tým, který informoval v 29. září Science, zjistil, že nadzvukové proudy plynu zabraňují kondenzaci mraků, jakmile to bude normálně. Mraky jsou tedy schopny růst o mnohem větší, než gravitace překoná pohyby a spustí počáteční kolaps protostar then a pak případně černou díru desítek tisíc solárních hmot.

Stále není jasné, jak by v těchto situacích byla běžná roztříštěnost. Navíc přístup nadzvukových toků nevytváří dokonale izotermické podmínky. Nedávná práce Muhammada Latifa (Pákistánský institut informačních technologií COMSATS) a Marty Volonteri (Pařížský astrofyzikální ústav) však naznačuje, že kolaps nemusí být přesně izotermální, aby se mohly tvořit masivní objekty. Nová studie tak přidává další cestu k ultrafialovému scénáři, kterou mohou astronomové zkoumat jako způsob, jak vytvořit semena superhmotných černých děr vesmíru.

Reference:

Shingo Hirano a kol. „Osobní toky plynu zvyšují tvorbu masivních černých děr v ranném vesmíru.“ Věda . 29. září 2017.