Mikä ruokki varhaisia mustia reikiä mahdollistaen niiden erittäin nopean kasvun? Uusi löytö, jonka Carnegie Mellonin yliopiston tutkijat tekevät käyttämällä supertietokoneiden simulaatioiden ja GigaPan Time Machine -tekniikan yhdistelmää, osoittaa, että kosmisen “pikaruoan” ruokavalio (ohuet kylmäkaasuvirrat) virtaa hallitsemattomasti ensimmäisten mustien reikien keskelle, aiheuttaen Heidän tulee olla ”suurikokoisia” ja kasvaa nopeammin kuin mikään muu maailmankaikkeudessa.
Kun maailmankaikkeuksemme oli nuori, alle miljardin vuoden kuluttua isosta räjähdyksestä, galaksit olivat vasta alkamassa muodostua ja kasvaa. Aiempien teorioiden mukaan silloin mustien reikien olisi pitänyt olla yhtä pieniä. Sloan Digital Sky -kyselyn tiedot ovat osoittaneet päinvastaista - supermassiiviset mustat aukot olivat olemassa jo 700 miljoonan vuoden kuluttua isosta räjähdyksestä.
”Sloan Digital Sky Survey havaitsi supermassiiviset mustat aukot alle miljardin vuoden päästä. Ne olivat samankokoisia kuin tämän päivän massiivisimmat mustat aukot, jotka ovat 13,6 miljardia vuotta vanhoja ”, kertoi fysiikan apulaisprofessori Tiziana Di Matteo (Carnegie Mellon University). ”Se oli palapeli. Miksi jotkut mustat aukot muodostuvat niin varhain, kun muiden maailmankauden kestää, jotta muut saavuttavat saman massan? "
Supermassiiviset mustat aukot ovat olemassa olevia suurimpia mustia aukkoja - painavat massaa miljardeja kertoja aurinkoa suuremmista. Suurin osa "normaaleista" mustista reikistä on vain noin 30 kertaa massiivisempi kuin aurinko. Tällä hetkellä hyväksytty mekanismi supermassiivisten mustien reikien muodostumiseen tapahtuu galaktisten fuusioiden kautta. Yksi ongelma tässä teoriassa ja miten sitä sovelletaan varhaisiin supermassiivisiin mustiin reikiin on se, että varhaisessa universumissa galakseja ei ollut paljon ja ne olivat liian kaukana toisistaan sulautuakseen.
Rupert Croft, fysiikan apulaisprofessori (Carnegie Mellon University) huomautti: ”Jos kirjoitat yhtälöt galaksien ja mustien reikien muodostumiselle, ei näytä olevan mahdollista, että nämä valtavat massat voisivat muodostua niin varhain, mutta katsomme taivaalle ja siellä he ovat. ”
Yrittäessään ymmärtää prosesseja, jotka muodostivat varhaiset supermassiiviset mustat aukot, Di Matteo, Croft ja Khandai loivat MassiveBlackin - toistaiseksi suurimman kosmologisen simulaation. MassiveBlackin tarkoitus on simuloida tarkasti maailmankaikkeuden ensimmäistä miljardia vuotta. Kuvaamalla MassiveBlack, Di Matteo huomautti: ”Tämä simulaatio on todella jättimäinen. Se on suurin fysiikan tason ja todellisen äänenvoimakkuuden kannalta. Teimme sen, koska olimme kiinnostuneita tarkastelemaan maailmankaikkeuden harvinaisia asioita, kuten ensimmäisiä mustia reikiä. Koska ne ovat niin harvinaisia, sinun on haettava suuresta tilavuudesta ”.
Croft ja joukkue aloittivat simulaatiot tunnetuilla kosmologiamalleilla, jotka perustuvat nykyfysiikan teorioihin ja lakeihin. "Emme panneet mitään hullua sisään. Ei ole maagista fysiikkaa, ei ylimääräisiä juttuja. Se on sama fysiikka, joka muodostaa galaksit myöhemmän maailmankaikkeuden simulaatioissa ”, sanoi Croft. ”Mutta taianomaisesti nämä varhaiset kvaasarit, kuten oli havaittu, ilmestyvät. Emme tienneet, että he aikovat esiintyä. Oli mahtavaa mitata heidän massansa ja mennä 'Vau! Nämä ovat tarkalleen oikean kokoisia ja näkyvät täsmälleen oikeaan ajankohtaan. "Se on menestystarina moderniselle kosmologiateoreelle."
MassiveBlackin tiedot lisättiin GigaPan Time Machine -projektiin. Yhdistämällä MassiveBlack-tiedot GigaPan Time Machine -projektiin, tutkijat pystyivät tarkastelemaan simulaatiota ikään kuin se olisi elokuva - panoroimalla helposti simuloidun maailmankaikkeuden muodostuessaan. Kun joukkue huomasi mielenkiintoisia vaikutuksia näyttäviä tapahtumia, he myös pystyivät zoomaamaan tapahtumia tarkemmin kuin mitä maamme tai avaruuspohjaisten teleskooppien avulla voimme nähdä omassa universumissamme.
Kun joukkue lähestyi ensimmäisten supermassiivisten mustien reikien luomista, he näkivät jotain odottamatonta. Normaalit havainnot osoittavat, että kun kylmä kaasu virtaa kohti mustaa reikää, sitä lämmitetään törmäyksistä muiden lähellä olevien kaasumolekyylien kanssa, sitten se jäähtyy ennen kuin menee mustaan reikään. Prosessin olisi pitänyt estää varhaisia mustia reikiä pääsemästä havaittuihin massoihin, joka tunnetaan nimellä ”shokkikuumennus”. Sen sijaan joukkue havaitsi ohuet kylmän tiheän kaasun virrat, jotka virtaavat ”filamenteilla” pitkin, jotka nähtiin laajoissa tutkimuksissa, jotka paljastavat maailmankaikkeuden rakenteen. Hehkulankojen ansiosta kaasu voi virtata suoraan mustien reikien keskustaan uskomattoman nopeudella tarjoamalla niille kylmää pikaruokaa. Vakaa, mutta hallitsematon kulutus tarjosi mekanismin mustien reikien kasvaa huomattavasti nopeammin kuin heidän isäntägalaksit.
Tulokset julkaistaan Astrophysical Journal Letters -lehdessä.
Jos haluat lukea lisää, katso alla olevat paperit (Physics arXivin kautta):
Kosmologisten simulaatioiden kuvapistekuvaus
Muodostuminen galaksien hosting z ~ 6 kvasaarit
Varhaiset mustat reiät kosmologisissa simulaatioissa
Kylmät virtaukset ja ensimmäiset kvartaarit
Lisätietoja Gigapanista ja MassiveBlackista: http://gigapan.org/gigapans/76215/ ja http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Lähde: Carnegie Mellon University -lehdistötiedote
