Supermasywne czarne dziury zazwyczaj formują się w miliardy lat. Jednak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba znajduje je niedługo po Wielkim Wybuchu — zanim powinny mieć czas na uformowanie się.
Powstanie supermasywnych czarnych dziur, takich jak ta w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej, zajmuje dużo czasu. Zazwyczaj narodziny czarnej dziury wymagają wypalenia się olbrzymiej gwiazdy o masie co najmniej 50 mas naszych słońc — procesu, który może trwać miliard lat — i zapadnięcia się jej jądra.
Mimo to, mając tylko około 10 mas Słońca, powstała czarna dziura jest daleka od czarnej dziury o masie 4 milionów mas Słońca, Sagittarius A*, znajdującej się w naszej galaktyce Drogi Mlecznej, lub supermasywnych czarnych dziur o masie miliarda mas Słońca, znajdujących się w innych galaktykach. Takie gigantyczne czarne dziury mogą powstawać z mniejszych czarnych dziur poprzez akrecję gazu i gwiazd oraz poprzez łączenie się z innymi czarnymi dziurami, co zajmuje miliardy lat.
Dlaczego zatem Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrywa supermasywne czarne dziury na samym początku czasu, eony przed tym, zanim powinny się uformować? Astrofizycy z UCLA mają odpowiedź równie tajemniczą, jak same czarne dziury: ciemna materia nie pozwalała na ochłodzenie wodoru na tyle długo, aby grawitacja mogła go skondensować w chmury wystarczająco duże i gęste, aby przekształcić się w czarne dziury zamiast gwiazd. Odkrycie zostało opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.
„Jakże zaskakujące było znalezienie supermasywnej czarnej dziury o masie miliarda Słońca, gdy sam wszechświat ma zaledwie pół miliarda lat” — powiedział starszy autor Alexander Kusenko, profesor fizyki i astronomii na UCLA. „To jak znalezienie współczesnego samochodu wśród kości dinozaurów i zastanawianie się, kto zbudował ten samochód w czasach prehistorycznych”.
Niektórzy astrofizycy założyli, że duży obłok gazu może zapaść się, tworząc bezpośrednio supermasywną czarną dziurę, omijając długą historię spalania gwiazd, akrecji i fuzji. Ale jest pewien haczyk: grawitacja rzeczywiście ściągnie duży obłok gazu, ale nie w jeden duży obłok. Zamiast tego zbiera fragmenty gazu w małe halo, które unoszą się blisko siebie, ale nie tworzą czarnej dziury.
Powodem jest to, że chmura gazu stygnie zbyt szybko. Dopóki gaz jest gorący, jego ciśnienie może przeciwstawić się grawitacji. Jednak jeśli gaz się ochłodzi, ciśnienie spada, a grawitacja może przeważać w wielu małych regionach, które zapadają się w gęste obiekty, zanim grawitacja zdąży wciągnąć całą chmurę do pojedynczej czarnej dziury.
„Szybkość stygnięcia gazu ma wiele wspólnego z ilością wodoru cząsteczkowego” — powiedział pierwszy autor i doktorant Yifan Lu. „Atomy wodoru połączone w cząsteczkę rozpraszają energię, gdy napotykają luźny atom wodoru. Cząsteczki wodoru stają się czynnikami chłodzącymi, gdy pochłaniają energię cieplną i ją wypromieniowują. Chmury wodoru we wczesnym wszechświecie miały zbyt dużo wodoru cząsteczkowego, a gaz szybko się stygł i tworzył małe halo zamiast dużych chmur”.
Lu i badacz podoktorancki Zachary Picker napisali kod umożliwiający obliczenie wszystkich możliwych procesów w tym scenariuszu i odkryli, że dodatkowe promieniowanie może podgrzać gaz i rozdzielić cząsteczki wodoru, zmieniając sposób jego chłodzenia.
„Jeśli dodasz promieniowanie w pewnym zakresie energii, zniszczy ono wodór cząsteczkowy i stworzy warunki, które zapobiegną fragmentacji dużych chmur” – powiedział Lu.
Ale skąd bierze się to promieniowanie?
Tylko bardzo mała część materii we wszechświecie jest taka, z której zbudowane są nasze ciała, nasza planeta, gwiazdy i wszystko inne, co możemy zaobserwować. Ogromna większość materii, wykryta przez jej grawitacyjne oddziaływanie na obiekty gwiezdne i przez zakrzywienie promieni świetlnych z odległych źródeł, składa się z nowych cząstek, których naukowcy jeszcze nie zidentyfikowali.
Formy i właściwości ciemnej materii pozostają zatem zagadką, która pozostaje do rozwiązania. Chociaż nie wiemy, czym jest ciemna materia, teoretycy cząstek od dawna spekulowali, że może ona zawierać niestabilne cząstki, które mogą rozpadać się na fotony, cząstki światła. Włączenie takiej ciemnej materii do symulacji zapewniło promieniowanie potrzebne do tego, aby gaz pozostał w dużej chmurze, podczas gdy zapada się w czarną dziurę.
Ciemna materia może składać się z cząstek, które powoli się rozpadają, lub może składać się z więcej niż jednego gatunku cząstek: niektóre stabilne, a niektóre rozpadają się we wczesnych okresach. W obu przypadkach produktem rozpadu może być promieniowanie w postaci fotonów, które rozbijają cząsteczkowy wodór i zapobiegają zbyt szybkiemu stygnięciu chmur wodorowych. Nawet bardzo łagodny rozpad ciemnej materii dawał wystarczająco dużo promieniowania, aby zapobiec stygnięciu, tworząc duże chmury i ostatecznie supermasywne czarne dziury.
„To może być rozwiązanie, dlaczego supermasywne czarne dziury są znajdowane tak wcześnie” – powiedział Picker. „Jeśli jesteś optymistą, możesz to również odczytać jako pozytywny dowód na istnienie jednego rodzaju ciemnej materii. Jeśli te supermasywne czarne dziury powstały w wyniku zapadnięcia się chmury gazowej, być może dodatkowe wymagane promieniowanie musiałoby pochodzić z nieznanej fizyki ciemnego sektora”.
Najważniejsze wnioski
Supermasywne czarne dziury zazwyczaj formują się w miliardy lat. Jednak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrywa je niedługo po Wielkim Wybuchu — zanim powinny mieć czas na uformowanie się. Astrofizycy z UCLA odkryli, że jeśli ciemna materia rozpada się, emitowane przez nią fotony utrzymują gaz wodorowy wystarczająco gorący, aby grawitacja mogła zebrać go w gigantyczne chmury i ostatecznie skondensować w supermasywną czarną dziurę. Oprócz wyjaśnienia istnienia bardzo wczesnych supermasywnych czarnych dziur, odkrycie to wspiera istnienie rodzaju ciemnej materii zdolnej do rozpadu na cząstki takie jak fotony.