Uusi malli selittää supermassiivisten mustien aukkojen syntyä varhaisessa maailmankaikkeudessa

Helsingin yliopiston fysiikan laitoksen astrofysiikan apulaisprofessori Peter Johansson on kehittänyt yhteistyössä irlantilaisten ja amerikkalaisten tutkijoiden kanssa simulaatiomallin, jonka avulla voidaan kuvata supermassiivisten mustien aukkojen muodostumista varhaisessa maailmankaikkeudessa entistä tarkemmin.

Supermassiivisia mustia aukkoja oli olemassa jo hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa, silloin, kun sen ikä oli alle 800 miljoonaa vuotta. Sen ovat aiemmat havainnot osoittaneet.

Mustien aukkojen massojen kasvu on vaikeaa

Johanssonin mukaan galaksien keskustoista löytyvien supermassiivisten mustien aukkojen massat voivat olla miljoonia tai jopa useita miljardeja kertoja aurinkoa suurempia, kun tyypillisesti massiivisten tähtien jälkeen jättämien mustien aukkojen massat ovat 5-20 kertaa auringon massaa suurempia.

- Nämä havainnot ovat jossain määrin yllättäviä, koska mustien aukkojen massojen kasvattaminen kymmenistä auringon massoista miljardeihin auringon massoihin lyhyessä ajassa on hankalaa, tutkija sanoo.

Mustien aukkojen massa kasvaa kaasua syömällä

Mustan aukon massan kasvattaminen onnistuu parhaiten kaasua syömällä, mutta samalla kun kaasu syöksyy kohti mustaa aukkoa, se kuumenee hyvin voimakkaasti johtuen kitkavoimista ja suuresta painovoimakentästä. Tämä kuuma kaasu säteilee voimakkaasti, ja osa säteilystä kytkeytyy takana tulevaan kaasuun aiheuttaen säteilypainetta, joka estää kaasun putoamisen mustaan aukkoon.

- Mustia aukkoja ei ikään kuin voi pakkosyöttää, koska liian suuri putoava kaasun määrä aiheuttaa voimakkaan säteilyryöpyn, joka puskee kaasua takaisin, Johansson selittää.

Supermassiivinen musta aukko syntyy ison kaasupilven romahtaessa

Viimeisten vuosien aikana on kehitetty myös vaihtoehtoinen malli selittämään supermassiivisten mustien aukkojen syntymistä varhaisessa maailmankaikkeudessa.

Tässä niin sanotussa ”suorassa romahdusmallissa” isot kaasupilvet, joiden massat vastaavat 10 000 - 100 000 auringon massaa, romahtavat suoraan verrattain massiivisiksi mustiksi aukoiksi.

Tällainen suora romahtaminen edellyttää, että kaasun jäähtyminen varhaisessa maailmakaikkeudessa on ollut tehotonta, koska muuten kaasupilvi fragmentoituisi ja seurauksena syntyisi tähtiä.

Ensimmäinen galaksi tuhoaa toisesta galaksista vedyn

Varhaisessa maailmankaikkeudessa ainut tapa jäähdyttää kaasua matalilla lämpötiloilla on molekulaarinen vety. Nyt Nature Astronomy -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa osoitetaan ensimmäistä kertaa, että jos kaksi galaksia syntyy lähes samanaikaisesti, ensimmäisen galaksin tähtien säteily voi tuhota molekulaarisen vedyn toiseksi syntyvästä galaksista.

Näin toiseen muodostuvaan galaksiin voi syntyä suuri musta aukko kaasupilven suorassa romahduksessa, josta kasvaa varsin nopeasti miljardin auringon massainen musta aukko. Tämän havainnot osoittavat.

Aiheesta kirjoitettu artikkeli ”Rapid formation of massive black holes in close proximity to embryonic protogalaxies” julkaistiin arvostetussa Nature Astronomy -lehdessä 13.3.2017. Julkaisun pääkirjoittaja, tutkija John Regan Dublin City Universitystä toimi aikaisemmin tutkijatohtorina Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella. 

Tutkimus Nature Astronomyn verkkosivulla, http://www.nature.com/articles/s41550-017-0075 ja ArXiv:ssa julkaistu versio, joka on kaikille avoin https://arxiv.org/abs/1703.03805

Kuva:

Taiteilijan näkemys protogalaksin lähelle syntyvästä supermassiivisesta mustasta aukosta, jonka massa vastaa kymmeniä tuhansia auringon massoja. Vastasyntynyttä mustaa aukkoa ympäröi kiertymäkiekko, ja siitä lähtee symmetriset materiasuihkut, kun taas nuoressa protogalaksissa loistaa kirkkaana suuri joukko nuoria massiivisia tähtiä. Kuva vastaa simulaation tilannetta punasiirtymällä z=24, noin 140 miljoonaa vuotta alkuräjähdyksen jälkeen. Kuvaoikeudet: J. Wise (Georgia Tech) & J. Regan (Dublin City).

Lisätiedot: Apulaisprofessori Peter Johansson, Helsingin yliopisto, peter.johansson@helsinki.fi, 050 318 3930   

Ystävällisin terveisin
Minna Meriläinen-Tenhu, 050 415 0316, minna.merilainen@helsinki.fi, @MinnaMeriTenhu