Vědci možná konečně vědí, kde se vzaly největší a nejstarší černé díry ve vesmíru

Přítomnost supermasivních černých děr v nejranějších epochách vesmíru vědce stále zaráží. Na druhou stranu opakované exploze malých černých děr mohou nabídnout vysvětlení. Jak se v raném vesmíru vytváří obří černá díra? Začněte explozí mnoha malých, navrhuje nová preprintová studie.

Četná pozorování, zejména pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST), odhalila nezvratné důkazy, že mladý vesmír byl obydlen neuvěřitelně masivními černými dírami. Přestože astronomové nemohou černé díry vidět přímo, pozorují kvazary, ultrajasné objekty poháněné supermasivními černými dírami. Když na takovou obří černou díru dopadá materiál, stlačuje se a zahřívá, přičemž se uvolňuje obrovské množství energie. Kvasary jsou skutečně nejvýkonnějšími motory v celém vesmíru, které jsou schopny zastínit tisíce galaxií najednou a trvají miliony let.

Astronomové mohou tyto obří kosmické majáky pozorovat z celého vesmíru, včetně nejranějších dob vzniku hvězd a galaxií. Nejstarší známý kvazar existoval v době, kdy byl náš vesmír starý jen několik set milionů let. Existence starých kvasarů znamená, že musely existovat i supermasivní černé díry, ale tato představa představuje výzvu pro naše současné chápání růstu galaxií. Pokud je nám známo, jediným způsobem vzniku černých děr je zánik masivních hvězd. Ty však po sobě zanechávají černé díry s hmotnostmi jen několikanásobně většími než hmotnost Slunce. Aby vznikl kvasar, musí mít černá díra hmotnost alespoň několikamilionkrát větší než Slunce.

Kvasary se však objevují tak brzy ve vesmírném záznamu, že není dost času na to, aby se zrodily a zanikly první hvězdy a jejich zbytky po černých dírách se mohly sloučit a nahromadit plyn, aby se zvětšily na supermasivní. Aby se tým astronomů z Kalifornské univerzity a Tokijské univerzity zorientoval v této záhadě, navrhuje, že tomuto procesu možná napomohly malé černé díry. Jejich výzkum se objevil v preprintové databázi arXiv, ale zatím nebyl předložen k recenznímu řízení.

Jedním z možných způsobů, jak vytvořit obří černé díry v raném vesmíru, je vynechat celý proces vzniku hvězd a nechat obrovská mračna vodíkového plynu, aby se sama zhroutila přímo do černé díry. Aby se obří mrak vodíku zhroutil, je třeba zbavit se jeho tepla. Chladný vodík má však nepříjemný zvyk měnit se z volných atomů vodíku na dvouatomové molekuly vodíku.

Molekuly vodíku se opravdu dobře ochlazují vyzařováním záření. Vlastně až příliš dobře. Podle tradičního scénáře se mrak atomárního vodíku dříve, než se stihne zhroutit do jediné černé díry, rozpadne na mnoho menších kapes molekulárního vodíku, z nichž každá se zhroutí a místo toho vznikne hvězda. Trik spočívá v tom, aby obří mrak vodíku vychladl, ale ne tak rychle, aby se z něj stala jediná supermasivní černá díra. V této chvíli přicházejí na pomoc malé černé díry, uvádí nová studie.

Fyzika raného vesmíru v prvních sekundách velkého třesku je tak intenzivní, že vesmír mohl přímo produkovat nespočet malých černých děr, které vznikaly v pěnící se a vroucí pěně, kterou byl samotný časoprostor. Tyto malé černé díry však nežijí věčně, vypařují se v důsledku emise Hawkingova záření a pravděpodobně jen malý zlomek z nich přežil do dnešních dnů.

V této rané epoše vesmíru však mohlo být prvních hvězd, galaxií a černých děr mnohem více. Když se vypařovaly, vyzařovaly záření a vědci zjistili, že tyto malé černé díry mohly uvolňovat právě tolik tepla, aby se obří plynné mračno nerozpadlo na molekulární vodíkové shluky, a umožnilo tak mračnu pomalu a postupně se zhroutit do jediné obří černé díry.

Tento výsledek je zajímavý, protože nevyvolává ještě exotičtější formy uvolňování energie nebo přidávání nových přírodních sil. Ukazuje také, jak i relativně jednoduchá fyzika může v raném vesmíru interagovat zvláštními a neznámými způsoby.

Vědci doufají, že na svou předběžnou studii navážou komplexnější simulací, aby zjistili, zda jejich model dokáže vytvořit správný počet obřích černých děr v raném vesmíru, a budou hledat pozorovací stopy, které by mohly teleskopy jako JWST využít k potvrzení této myšlenky.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: space.com, smithsonianmag.com