Para ilmuwan telah menemukan rahasia kelahiran lubang hitam tertua di alam semesta

Butuh waktu lama bagi lubang hitam supermasif untuk tumbuh, bahkan jika ia makan dengan rakus. Jadi bagaimana lubang hitam supermasif yang miliaran kali lebih berat dari matahari terbentuk selama miliaran pertama kehidupan alam semesta selalu menjadi misteri.

Tetapi pekerjaan baru oleh tim kosmolog internasional menunjukkan jawaban: aliran materi dingin, yang dibentuk oleh materi gelap misterius, memicu lubang hitam dengan kekuatan yang lahir dari kematian protobintang raksasa.

“Ada resep untuk menciptakan lubang hitam 100.000 massa matahari saat lahir, bintang primordial 100.000 massa matahari,” kata Daniel Wallen, seorang ahli kosmologi di University of Portsmouth. mandiri. “Di alam semesta saat ini, satu-satunya lubang hitam yang kami temukan, semuanya terbentuk dari runtuhnya bintang masif. Ini berarti massa minimum lubang hitam harus setidaknya tiga hingga empat massa matahari.”

Tapi teluk itu sangat besar di antara bintang bermassa 4 massa matahari dan bintang bermassa 100.000 massa matahari, sebuah bintang “raksasa” yang, jika berpusat di sekitar matahari, akan meluas ke orbit Pluto. Dr. Wallen mengatakan bahwa selama 20 tahun terakhir, banyak penelitian tentang quasar di alam semesta awal — pusat galaksi yang sangat terang yang ditenagai oleh lubang hitam supermasif — telah berfokus pada serangkaian kondisi yang disetel dengan baik yang memungkinkan pembentukan galaksi semacam itu. bintang purba yang masif.

Tapi di kertas baru Diterbitkan di majalah sifat pemarahWallen dan rekan menggunakan pemodelan superkomputer evolusi kosmik untuk menunjukkan bahwa alih-alih berevolusi dari serangkaian kondisi yang sangat khusus, protobintang yang sangat raksasa terbentuk dan runtuh menjadi “benih” quasar secara alami dari serangkaian kondisi primordial yang, meskipun masih jarang, secara relatif , itu jauh kurang sensitif. Dan semuanya dimulai dengan materi gelap.

“Jika Anda melihat konten total, sebut saja kandungan energi massa total alam semesta, 3 persennya dalam bentuk materi yang kita pahami” – zat yang terbuat dari proton, neutron, elektron, hidrogen, helium, dan sebagainya , kata Dr. Wallen. Tapi “24 persen dalam bentuk materi gelap, dan kita tahu itu ada karena pergerakan galaksi dan gugus galaksi, tapi kita tidak tahu apa itu.”

Ini berarti bahwa materi gelap hanya berinteraksi dengan materi biasa melalui gravitasi, dan gravitasi materi gelaplah yang telah menciptakan struktur terbesar alam semesta: jaring kosmik. Di awal alam semesta, kata Dr. Wallen, sejumlah besar materi gelap runtuh menjadi filamen panjang karena beratnya sendiri, menyeret materi normal bersamanya, membentuk jaringan filamen dan sambungannya.

Galaksi dan bintang akhirnya terbentuk di dalam filamen, dan khususnya, perpotongan filamen yang kaya materi.

“Kami menyebutnya lingkaran cahaya, lingkaran cahaya kosmik, dan kami pikir bintang primordial terbentuk di sana lebih dulu,” kata Dr. Wallen tentang persimpangan tersebut.

Pemikiran sebelumnya berpikir bahwa untuk membentuk bintang primordial yang cukup besar untuk melahirkan lubang hitam supermasif dan menciptakan quasar selama miliaran tahun pertama alam semesta, korona perlu tumbuh ke dimensi raksasa dalam kondisi khusus: tidak ada bintang lain yang begitu dekat , membentuk molekul hidrogen untuk menjaga Gas lebih dingin, aliran gas supersonik untuk menjaga turbulen korona. Selama auranya cukup dingin dan bergejolak, ia tidak dapat bertahan cukup lama untuk menyala seperti bintang, memperpanjang fase pertumbuhannya hingga akhirnya lahir dengan ukuran raksasa.

Begitu sebuah bintang masif menyala, menjalani kehidupannya, terbakar, dan runtuh menjadi lubang hitam, kata Dr. Wallen, ia harus memiliki akses ke sejumlah besar gas agar dapat tumbuh secara eksponensial, “karena cara lubang hitam tumbuh adalah menelan gas.”

Tetapi alih-alih membutuhkan kondisi yang disetel dengan baik untuk pembentukan bintang supermasif dan akhirnya lubang hitam supermasif, simulasi Dr. Wallen dan rekan menunjukkan bahwa aliran gas dingin ke dalam lingkaran filamen materi gelap yang mendefinisikan jaring kosmik dapat menggantikan kelimpahan. Ini adalah faktor penting untuk pembentukan bintang primordial dalam model kuno.

“Jika fluks akresi dingin memicu pertumbuhan lingkaran cahaya ini, mereka pasti membombardir lingkaran cahaya itu,” kata Dr. Wallen, menghantam mereka dengan begitu banyak gas begitu cepat sehingga turbulensi dapat mencegah gas runtuh dan membentuk bintang primordial. “

Ketika mereka mensimulasikan korona semacam itu yang diberi makan oleh aliran akresi dingin, para peneliti melihat dua bintang primordial masif terbentuk, satu berukuran 31.000 matahari, dan yang lainnya berukuran 40.000 matahari. Benih lubang hitam supermasif.

“Itu sangat sederhana. Masalah 20 tahun berakhir dalam semalam,” kata Dr. Wallen. Kapan pun Anda memiliki aliran dingin yang memompa gas dalam lingkaran cahaya ke jaring kosmik, “Anda akan mengalami banyak turbulensi, dan Anda ‘akan memiliki formasi bintang masif dan formasi benih masif.” Ini menghasilkan benih quasar besar.”

Dia menambahkan bahwa itu adalah penemuan yang cocok dengan jumlah quasar yang diamati sejauh ini di awal alam semesta, mencatat bahwa lingkaran cahaya besar di era awal itu jarang terjadi, serta quasar.

Tetapi pekerjaan baru ini adalah simulasi, dan para ilmuwan kemudian ingin benar-benar memantau pembentukan alam semesta quasar awal di alam liar. Instrumen baru, seperti Teleskop Luar Angkasa James Webb, mungkin akan segera mewujudkannya.

“Webb akan kuat untuk melihatnya,” kata Dr. Wallen, dan mungkin menyaksikan kelahiran lubang hitam dalam satu juta atau dua juta tahun setelah Big Bang.