Ez a művész koncepciója a legtávolabbi kvazárt és a legtávolabbi szupermasszív fekete lyukat ábrázolja. 7,54-es vöröseltolódással az ULAS J1342 + 0928 körülbelül 29 milliárd fényév távolságnak felel meg; ez a legtávolabbi kvazár / szupermasszív fekete lyuk, amit valaha fedeztek fel. Világossága ma érkezik a szemünkre, a spektrum rádió részén, mert csak 690 millió évvel a nagy robbanás után bocsátott ki. (ROBIN DIENEL / CARNEGIE INTÉZMÉNY TUDOMÁNYOKHOZ)

Milyen volt, amikor az első szupermasszív fekete lyukak kialakultak?

Ezek a kozmikus behemothok már nagyon korai idők óta hatalmasak voltak. Így jöttek létre.

A modern asztrofizika egyik legnagyobb kihívása annak leírása, hogyan ment az univerzum egységes helyről bolygók, csillagok vagy galaxisok nélkül a gazdag, strukturált, változatos kozmoszhoz, amelyet ma látunk. Mint láthatjuk, amikor az Univerzum csak néhány száz millió éves volt, rengeteg lenyűgöző tárgyat találunk. A csillagok és csillagfürtök nagyszámban léteznek; talán egy milliárd csillaggal rendelkező galaxisok világítják meg az Univerzumot; még a nagyon nagy fekete lyukakkal rendelkező kvazárok is, amelyek az univerzum még egy milliárd éves volt.

De hogyan csinálta az Univerzum ilyen ultramasszív fekete lyukakat ilyen rövid idő alatt? Évtizedek óta egymásnak ellentmondó történetek után a tudósok végül azt gondolják, hogy tudjuk, mi történt.

A művész elképzelése arról, hogy milyen lehet az univerzum, amikor először csillagokat képez. A csillagok elérhetik sok száz vagy akár ezer napenergia-tömeget, és viszonylag gyors fekete lyuk kialakulásához vezethetnek, amelyről a legkorábbi kvazárok ismertek. (NASA / JPL-CALTECH / R. HURT (SSC))

Csak 50–100 millió évvel a Nagyrobbanás után kezdtek kialakulni az első csillagok. A hatalmas gázfelhők összeomlni kezdtek, de mivel csak hidrogénből és héliumból álltak össze, küzdenek a hő sugárzása és az energiájuk eloszlatása érdekében. Ennek eredményeként ezeknek a gravitációs úton kialakuló és növekvő csomóknak sokkal tömegebbeknek kell lenniük, mint a ma csillagokat képező csomóknak, és ennek következményei vannak arra, hogy milyen csillagok alakulnak ki.

Míg manapság általában olyan csillagokat képezünk, amelyek a Nap tömegének körülbelül 40% -a, az első csillagok átlagosan kb. 25-szer hatalmasabbak voltak. Mivel lehűlnie kell ahhoz, hogy összeomoljon, csak a legkorábban kialakuló legnagyobb, legtömegebb csomók csillagokhoz vezetnek. Az átlagos „első csillag” talán tízszer hatalmasabb, mint a Nap, sok egyedi csillag elérheti a száz vagy akár ezer napenergia-tömeget.

A (modern) Morgan – Keenan spektrális osztályozási rendszer, az egyes csillagosztályok hőmérsékleti tartományán felül mutatva, kelvinben. A csillagok túlnyomó többsége manapság M-osztályú csillagok, csak egy ismert O- vagy B-osztályú csillag található 25 elemben. A Sun egy G osztályú csillag. A korai világegyetemben azonban szinte az összes csillag O vagy B osztályú csillag volt, az átlagos tömeg 25-szer nagyobb, mint a mai átlag csillagoké. (A WIKIMEDIA KÖZÖS LUCASVB FELHASZNÁLÓ, E. SIEGEL KIEGÉSZÍTÉSEI)

Ezeknek a csillagoknak a többsége szupernóvában fejezi be az életét, vagyis egy neutroncsillaghoz vagy egy kis, kis tömegű fekete lyukhoz vezet. De bármilyen nehéz elem nélkül a legtömegebb csillagok olyan magas hőmérsékletet érnek el magukban, hogy a fotonok, a fény egyes részecskéi, olyan energiákká válhatnak, hogy spontán módon elkezdenek anyag- és antianyag-párokat előállítani pusztán tiszta energiából.

Lehet, hogy hallottál Einstein E = mc²-ről, és ez talán a legerőteljesebb alkalmazása: az energia tiszta formája, mint például a fotonok, hatalmas részecskéket hozhat létre, mindaddig, amíg betartják a természet alapvető kvantumszabályait. Az anyag és az antianyag előállításának legegyszerűbb módja az, ha a fotonok elektron / pozitron párt hoznak létre, amely önmagában is megtörténik, ha elég magas a hőmérséklet.

Ez a diagram azt a párosítási folyamatot szemlélteti, amely szerint az csillagászok az SN 2006gy néven ismert hipernova esemény kiváltotta. Ha elég nagy energiájú fotonok képződnek, elektron / pozitron párokat hoznak létre, nyomásesést és elszivárgó reakciót okozva, amely elpusztítja a csillagot. A hipernova csúcsfényessége sokszor nagyobb, mint bármely más, „normál” szupernóva fénye. (NASA / CXC / M. WEISS)

Ezekben az ultra-hatalmas csillagokban, mint minden csillagban, a gravitáció megpróbálja mindezt az anyagot a központ felé húzni. De a fotonok és a csillagok magjában keletkező összes sugárzás visszahúzza és tartja a csillagot felfelé, megakadályozva annak összeomlását.

Amikor elkezdi ezekből a fotonokból elektron-pozitron párokat előállítani, elveszíti ennek a sugárzási nyomásnak egy részét. Ön kimeríti a csillag azon képességét, hogy tartsa magát a gravitációs összeomlás ellen. És bár igaz, hogy van néhány szűk tömegtartomány, amely a csillagot teljesen elpusztítja, az esetek nagy részében az egész csillag közvetlenül összeomlik, és így fekete lyuk képződik.

A szupernóva típusok a héliumnál nehezebb elemek kezdeti tömegének és kezdeti tartalmának függvényében (fémség). Vegye figyelembe, hogy az első csillagok a diagram alsó sorát foglalják el, fémek nélkül, és hogy a fekete területek a közvetlen összeomlású fekete lyukaknak felelnek meg. (FULVIO314 / WIKIMEDIA COMMONS)

Ez egy figyelemre méltó lépés! Ez azt jelenti, hogy a legtömegebb csillagok, több száz vagy akár ezer napelemes tömeggel, akkor képezhetõk, amikor az Univerzum éppen körülbelül 100 millió éves: a jelenlegi életkorának kevesebb, mint 1% -a. Ezek a csillagok a leggyorsabban, 1 vagy 2 millió év alatt elégetik a nukleáris üzemanyagukat. És akkor a maguk annyira felforrósodnak, hogy elkezdenek fotonokat részecskékké és részecskékké alakítani, ami a csillag összeomlását és még gyorsabb felmelegedését okozza.

Ha átlép egy bizonyos küszöböt, csak annyit tehet, hogy összeomlik. És ez nem csupán elmélet; valójában azt láttuk, hogy a csillagok szupernóva nélkül közvetlenül összeomlanak, ami közvetlenül oda vezet, ami csak egy fekete lyuk lehet.

A Hubble látható / IR közeli képein egy hatalmas csillag látható, amely a Nap tömegének kb. 25-szerese és kiúszik a létezésből, szupernóva vagy más magyarázat nélkül. A közvetlen összeomlás az egyetlen ésszerű jelölt magyarázat. (NASA / ESA / C. KOCHANEK (OSU))

De ez csak a kezdet. Ha van egy hatalmas tárgycsoport, amely elsősorban a gravitációs erő hatására működik, különböző tárgyakat rúgnak ki ezek a kölcsönhatások. A legkevésbé masszív tárgyakat lehet a legkönnyebben kidobni, míg a legtömegebb tárgyakat a legkeményebben lehet kilökni. Amint ezek a csillagok, gázfelhők, csomók és fekete lyukak táncolnak, átmennek az úgynevezett tömeges szegregáción: a legnehezebb tárgyak a gravitációs központba esnek, ahol kölcsönhatásba lépnek, és akár egyesülhetnek.

Hirtelen a néhány száz vagy néhány ezer napelemes tömegű néhány száz fekete lyuk helyett egyetlen fekete lyukkal tehet szert, amely körülbelül 100 000 vagy még ennél is több napenergiát jelent.

Kataklizmikus események fordulnak elő a galaxisban és az egész világegyetemben, a szupernóváktól az aktív fekete lyukakig és az összekapcsolódó neutroncsillagokig. Egy olyan csoportban vagy csomóban, amely sok fekete lyukat képez, gravitációs úton vonzanak és kitolnak más, kisebb tárgyakat, hatalmas összeolvadások sorozatához vezetnek, és egy nagy, központi fekete lyukot képeznek. (J. WISE / GEORGIA TECHNOLÓGIAI INTÉZET és J. REGAN / DUBLIN VÁROS EGYETEM)

Noha gravitációs szempontból több tízmillió évbe telik, amíg ez megtörténik, ez csak egy csillagfürtre vonatkozik! Az Univerzum a legkorábbi szakaszaiból az egész csillagfürtöt képezi, és ezek a csillagcsoportok gravitációs úton kezdenek vonzani egymást. Idővel ezek az eltérő csillagfürtök befolyásolják egymást, és a gravitáció összehozza őket.

Mire az Univerzum nem haladja meg a 250 millió évet, elkezdenek tömegesen összeolvadni, és az első proto-galaxisokhoz vezetnek. A gravitáció egy olyan erő, amely valóban kedvez az overdognak, és az idő múlásával ezeknek a kezdeti, korai klasztereknek tízerei, százai és akár ezrei is összegyűlhetnek, hogy nagyobb és nagyobb galaxisokká váljanak. A kozmikus háló azt eredményezi, hogy a struktúrák egyre nagyobb méretűre egyesülnek.

Nagyméretű vetítés az Illustris-térfogaton keresztül z = 0-on, a legmasszább klaszter középpontjában, 15 Mpc / h mélységgel. A sötét anyag sűrűségét mutatja (balra), áttérve a gáz sűrűségére (jobbra). Az univerzum nagyméretű felépítése nem magyarázható sötét anyag nélkül. Az univerzumban levő teljes csomag azt diktálja, hogy a szerkezet először kis léptékben alakul ki, végül fokozatosan nagyobb és nagyobb méretűvé válva. (ILLUSTRIS EGYÜTTMŰKÖDÉS / ILLUSTRIS SZIMULÁCIÓ)

Ez könnyen elvisz bennünket olyan tömegekbe, amelyek több tízmillió napenergiát jelentenek az idő múlásával az első galaxisokhoz, de valami más is történik. Nem csak a fekete lyukak egyesülnek, hogy szupermasszív lyukakat építsenek a központba; bármilyen kérdés beleesik hozzájuk! Ezek a korai galaxisok kompakt tárgyak, tele vannak csillagokkal, gázokkal, porokkal, csillagfürtökkel, bolygókkal és még sok mindennel. Ha valami túl közel áll egy fekete lyukhoz, akkor fennáll a veszélye, hogy felfalják.

Ne feledje, hogy a gravitáció egy kiszabaduló erő: minél több tömeg van, annál nagyobb tömeget vonz. És ha valami túl közel áll egy fekete lyukhoz, akkor az anyag megfeszül és melegszik, ahol része lesz a fekete lyuk akkumulációs korongjának. Ennek az anyagnak egy része felmelegszik és felgyorsul, ahol kvazáris fúvókákat bocsáthat ki. De annak része is beleesik, aminek következtében a fekete lyuk tömege tovább növekszik.

Amikor a fekete lyukak táplálkoznak az anyaggal, akkor akkreditáló korongot és egy merőlegesen bipoláris sugárhajtást hoznak létre. Amikor egy szupermasszív fekete lyukból származó sugárhajtógép ránk mutat, akkor vagy BL Lacertae objektumnak vagy blazárnak nevezzük. Most úgy gondolják, hogy ez mind a kozmikus sugarak, mind a nagy energiájú neutrinók fő forrása. (NASA / JPL)

Ha lenne egy szókincs, amit az asztrofizikusok, akik tárgyak növekedését vizsgálják gravitáción keresztül, azt szeretnék, hogy a lakosság megismerje, akkor ez a furcsa gömb: nemlineáris. Ha van egy olyan térségi térsége, amely sűrűbb az átlagnál, akkor ez elsősorban az anyagot vonzza. Ha csak néhány százalékkal sűrűbb az átlagnál, akkor a gravitációs vonzerő csupán néhány százalékkal hatékonyabb az átlagnál. Megduplázza a túlzott mértékű összeget, és megduplázza azt az összeget, amellyel hatékonyabban vonzza a dolgokat.

De ha elért egy bizonyos küszöböt, azaz az átlag kétszerese, sokkal több mint kétszer hatékonyabbá válik más anyag vonzásában. Amikor elkezdi „megnyerni” a gravitációs háborút, egyre nehezebben nyer, az idő múlásával. A legtömegebb régiók tehát nemcsak a leggyorsabban növekednek, hanem mindent megtesznek körülöttük. Idővel fél milliárd év elteltével óriási lehet.

A távoli MACS1149-JD1 galaxist gravitációs szempontból lencséli egy előtér-klaszter, amely lehetővé teszi nagy felbontású képességű és több eszközön történő képképezést, még a következő generációs technológia nélkül is (ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), NASA / ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE) , W. ZHENG (JHU), M. POSTMAN (STSCI), a CLASH TEAM, HASHIMOTO ÉS AL.)

A legkorábbi galaxisok és kvazárok, amelyeket valaha is találtunk, a legfényesebb, legtömegebbek közé tartoznak, amire számítunk. Ők a nyertesek a korai világegyetem gravitációs háborújában: a végső kozmikus túlsúlyos kutyákban. Mire a távcsövek felfedik őket, 400–700 millió évvel a nagy robbanás után (a legkorábbi kvazár 690 millió évtől származik), már milliárd csillaguk van és több száz millió napelemes tömegű szupermasszív fekete lyukkal rendelkeznek.

De ez nem egy kozmikus katasztrófa; ez egy olyan bizonyíték, amely megmutatja a gravitáció szivárgó erejét az univerzumunkban. A csillagok első generációja és az általuk előállított viszonylag nagy fekete lyukak által vetve ezek a tárgyak egyesülnek és növekednek egy klaszterben, majd még nagyobbra nőnek, amikor a klaszterek összeolvadnak, hogy galaxisokat képezzenek, és a galaxisok összeolvadva nagyobb galaxisokat képezzenek. Mára már több tízmilliárdnyi fekete lyuk van olyan hatalmas, mint a Nap. De még a legkorábbi szakaszokban is megfigyelhető, hogy a milliárd napenergiás fekete lyuk jól elérhető. A kozmikus fátyol hámozásakor reméljük, hogy pontosan megtanuljuk, hogyan nőnek fel.

További tudnivalók arról, hogy milyen volt az Univerzum, amikor:

  • Milyen volt, amikor az univerzum felfújódott?
  • Milyen volt, amikor először kezdődött a Nagyrobbanás?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum volt a legforróbb?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum először több anyagot hozott létre, mint az antianyag?
  • Milyen volt, amikor a Higgs tömeget adott az Univerzumnak?
  • Milyen volt, amikor először protonokat és neutronokat készítettünk?
  • Milyen volt, amikor elveszítettük az utolsó antianyagunkat?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum elkészítette első elemeit?
  • Milyen volt, amikor az univerzum először atomokat készített?
  • Milyen volt, amikor az univerzumban nem voltak csillagok?
  • Milyen volt, amikor az első csillagok világossá váltak?
  • Milyen volt, amikor meghalt az első csillag?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum elkészítette a csillagok második generációját?
  • Milyen volt, amikor az Univerzum készítette az első galaxisokat?
  • Milyen volt, amikor a csillagfény először áttörött a Világegyetem semleges atomjain?

A Starts With A Bang mostantól a Forbes-en működik, és a Mediumon közzéteszik, a Patreon támogatóinknak köszönhetően. Ethan két könyvet írt, a Beyond The Galaxy és a Treknology: A Star Trek tudománya a Tricorders-től a Warp Drive-ig.