Ілюстрація раннього Всесвіту. Кредит зображення: NASA. Натисніть, щоб збільшити
Все почалося дуже давно, коли Всесвіт був дуже молодий. Найдавніші масові зірки селекціонерів заграли в молодості - пряли і ласували серед багатих зелених трав незайманої речовини. По мірі відведеного часу ядерні двигуни кип'ятили великі потоки гарячого водню та гелієвого газу - збагачуючи міжзоряні середовища. Під час цієї фази надмасивні зіркові скупчення утворювались у маленьких кишенях біля зароджуваних галактичних ядер - кожен кластер плавав у невеликих областях споконвічної міні-ореолу.
Завершивши свій цикл, найдавніші зірки селекціонера вибухнули, викидаючи важкі атоми. Але перед тим, як надто багато важкої речовини накопичилося у Всесвіті, найбільш ранні чорні діри утворилися, швидко зростали шляхом взаємного засвоєння і накопичували достатньо гравітаційного впливу, щоб втягнути «Золотаві» гази точних температур і складу у великі широкі накопичувальні диски. Ця надкритична фаза росту швидко визрівала найбільш ранніми масивними чорними дірами (MBH) до стану надмасивної чорної діри (SMBH). З цього найдавніші квазари проживали в зрощених міні-ореолах численних протогалактик.
Ця картина раннього утворення квазару з'явилася в нещодавньому документі (опублікованому 2 червня 2005 р.) Під назвою "Швидкий ріст чорних дірок високої червоної зміни", написаному космологами з Кембриджського Королівства Мартіном Дж. Різом та Мартою Волонтері. Це дослідження розглядає можливість того, що після часу загальної прозорості відкриється коротке вікно швидкого утворення СМБХ, але перед тим, як гази в міжзоряному середовищі повністю реіонізуються через зоряне випромінювання і засіваються важкими металами надновими. Модель Rees-Volonteri намагається пояснити факти, що випливають із даних даних Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Через 1 мільярд років після Великого вибуху вже було сформовано багато сияючих квазарів. Кожна з SMBH має масу, що перевищує 1 мільярд сонців. Вони виникли із «насіннєвих чорних дір» - гравітаційних синдрів, що залишилися після самого раннього циклу колапсу наднових серед перших масивних галактичних скупчень. За один мільярд років після Великого вибуху це було все, але закінчилося. Як могла стільки маси конденсуватися в такі маленькі простори?
Як стверджують Волонтарі та Різ, «для вирощування таких насіння до 1 млрд. Сонячних мас потрібне майже безперервне накопичення газу ...» Працюючи проти такої високої швидкості нарощування, є факт, що випромінювання від речовини, що потрапляє в чорну діру, зазвичай компенсується швидким " збільшення ваги ». Більшість моделей зростання SMBH показують, що близько 30% маси, що падає на проміжну (масивну - не надмасивну) чорну діру, перетворюється на радіацію. Ефект цього подвійний: Матерія, яка в іншому випадку живить MBH, втрачається на радіацію, а тиск випромінювання назовні задушує марш додаткової речовини всередину, щоб живити швидке зростання.
Ключ до розуміння швидкого формування СМБХ полягає в тому, що диски раннього нарощування навколо МБГ не були настільки оптично щільними, як сьогодні, а "жирними" з делікатно розподіленою речовиною. За таких умов випромінювання має більш широкий середній вільний шлях і може вийти за межі дисків, не перешкоджаючи руху всередину речовини. Паливо, що веде весь процес зростання SMBH, доставляється рясно в горизонт подій чорної діри. Тим часом речовина типу, яка була присутня в найдавніші епохи, була головним чином одноатомним воднем та гелієм - не типом накопичувальних дисків, багатих важкими металами пізнішої епохи. Все це говорить про те, що ранні MBH зростали в поспіху, врешті-решт, це було багато повноцінно зрілих квазарів, що спостерігаються в наборі даних SDSS. Такі ранні MBH повинні мати коефіцієнти перетворення маси та енергії, більш характерні для повністю зрілих SMBH, ніж сьогодні MBH.
Волонтарі та Різ стверджують, що попередні дослідники показали, що повністю розроблені «квазари мають ефективність перетворення маси в енергію приблизно 10% ...» Пара заперечує, що це значення перетворення масової енергії випливає з досліджень квазарів пізнішого періоду в Universal розширення і що "нічого не відомо про радіаційну ефективність прегалактичних квазарів у ранньому Всесвіті". З цієї причини "картина, яку ми маємо у Всесвіті з низьким червоним зміщенням, може не застосовуватися раніше". Очевидно, що рання Всесвіт була щільніше заповнена речовиною, що матерія була при більш високій температурі, і там було вище співвідношення неметалів до металів. Усі ці фактори говорять про те, що ефективність перетворення масової енергії на ранніх рівнях МГ майже майже вдається припустити. Оскільки зараз ми маємо пояснювати, чому стільки SMBH існують серед ранніх квазарів, має сенс, що Волонтарі та Різ використовують те, що вони знають про сьогоднішні накопичувальні диски, як спосіб пояснити, чим вони такі диски могли відрізнятися в минулому.
І саме найдавніші часи - перш ніж випромінювання від численних зірок реіонізували гази в міжзоряному середовищі - запропонувало умови для швидкого формування СМББ. Такі умови, можливо, тривали менше 100 мільйонів років і вимагали адекватного балансу температури, щільності, розподілу та складу речовини у Всесвіті.
Щоб отримати повну картину (як намальовано на папері), ми почнемо з ідеї, що ранній Всесвіт був заселений незліченними міні-ореолами, що складаються з темної та баріонічної речовини з надзвичайно масивними, але надзвичайно щільними зоряними скупченнями. Завдяки щільності цих скупчень - і масивності зірок, що їх містять - наднорми швидко розвиваються, щоб породити численні «насінні чорні діри». Ці насінні БГ зрослися у масивні чорні діри. Тим часом гравітаційні сили та реальні рухи швидко зближували різні міні-ореоли. Це створило все більш масивні ореоли, здатні живити MBH.
У ранньому Всесвіті матерія, що оточує MBH, приймала форму величезних бідних металами сфероїдів водню та гелію в середньому за температурою близько 8000 градусів Кельвіна. При таких високих температурах атоми залишаються іонізованими. Через іонізацію було мало електронів, пов'язаних з атомами, щоб діяти як пастки фотонів. Вплив радіаційного тиску зменшився до тієї точки, коли матерія легше потрапляла на горизонт подій чорних дір. Тим часом вільні електрони самі розсіюють світло. Частина цього світла насправді повторно випромінює назад до накопичувального диска, а інше джерело маси - у вигляді енергії - живить систему. Нарешті, недолік важких металів - таких як кисень, вуглець та азот - означає, що одноатомні атоми залишаються гарячими. Оскільки температури падають нижче 4000 градусів К, атоми деіонізуються та знову стають під впливом радіаційного тиску, зменшуючи потік свіжої речовини, що потрапляє в горизонт подій БГ. Усі ці суто фізичні властивості мали тенденцію до зниження коефіцієнта енергоефективності - дозволяючи MBH швидко набирати вагу.
Тим часом, коли міні-ореоли зливаються, гаряча баріонова речовина конденсується у величезні "товсті" диски - не тонкі кільця, які бачать навколо SMBH сьогодні. Це сталося через те, що сама галогенна речовина повністю оточила швидко зростаючі MBH. Цей сфероїдальний розподіл речовини забезпечував постійне джерело свіжої, гарячої, незайманої речовини для живлення накопичувального диска з різних кутів. Товсті диски означали більшу кількість речовини при меншій оптичній щільності. Знову ж таки, матерії вдалося уникнути «сонячного відплиття» назовні від маячної кишки MBH, і коефіцієнт перетворення маси в енергію впав.
Обидва фактори - жирові диски та іонізовані атоми з низькою масою - говорять про те, що під час золотого віку раннього зеленого Всесвіту MBH швидко зростали. Протягом одного мільярда років Великого вибуху вони оселилися у відносно спокійній зрілості, ефективно перетворюючи речовину у світло і відкидаючи це світло через величезні масиви часу та простору у потенційно зростаючий Всесвіт.
Автор Джефф Барбур
