Vznik supermasivních černých děr v raném vesmíru

Vznik velmi vzácných černých děr s hmotnostmi přes jednu miliardu hmotností Slunce v první miliardě roků po vzniku vesmíru je v astrofyzice otevřenou otázkou. Teoretičtí fyzikové Hooman Davoudiasl, Peter Denton a Julia Gehrlein z Brookhaven National Laboratory vyvinuli model vysvětlující vznik těchto primordiálních obrů, stejně tak i podstatu dalšího fenoménu: temné hmoty. Jejich článek byl publikován v časopise Physical Review Letters.

Na připojeném uměleckém ztvárnění je ukázán vývoj vesmíru od Velkého třesku na levé straně následovaný objevením kosmického mikrovlnného pozadí (Cosmic Microwave Background – CMB). Vznikem prvních hvězd byl ukončen kosmický temný věk, následoval vznik galaxií.

„Předtím, než začaly existovat galaxie, byl vesmír hustý a horký a pevně ustálený,“ říká Peter Denton. „Jak vesmír chladnul na hodnoty, které pozorujeme dnes, hmota nabývala na důležitosti, avšak nemáme experimentální data popisující, jak se to stalo. Můžeme předpovědět, co se stane se známými částicemi, protože často interagují. Ale co když zde jsou doposud neznámé částice účinkující odlišně?“

Ke studiu této otázky astronomové vyvinuli model pro temný sektor vesmíru, kde ještě budou objeveny podle předpokladu částice oplývající výjimečným vzájemným působením. Mezi těmito částicemi by mohla být ultralehká temná hmota, podle předpokladu podstatně lehčí než proton.

„Frekvence interakcí mezi známými částicemi předpokládající hmotu, jak ji známe, by neměly kolabovat do černých děr velmi účinně,“ říká Peter Denton. „Avšak jestliže zde existoval temný sektor mimořádně lehké temné hmoty, mladý vesmír mohl mít přesně ty správné podmínky pro velmi odlišnou formu smršťování.“

Z nedávných pozorování vyplývá, že supermasivní černé díry se zformovaly v raném vesmíru; mnohem dříve, než si astronomové doposud mysleli. Toto zjištění ponechává trochu času ve prospěch růstu supermasivních černých děr.

„Uvažovali jsme, jak by částice v temném sektoru mohly prodělat fázi přeměny, která umožňuje hmotě velmi účinně kolabovat do podoby černých děr,“ říká Peter Denton. „Když teplota ve vesmíru dosáhne správných hodnot, tlak může náhle poklesnout na velmi nízkou úroveň dovolující gravitaci převzít vliv a hmota začne kolabovat. Naše chápání známých částic napovídá, že tento proces by normálně nebyl možný.“

Takový fázový přechod by byl dramatickým jevem. „Toto smršťování je velká věc. Dochází při něm k emitování gravitačních vln. Tyto vlny mají charakteristický tvar, takže můžeme předpovědět jejich signál a jejich očekávaný rozsah frekvencí,“ říká Peter Denton.

Obvyklé experimenty s gravitačními vlnami nejsou dostatečně citlivé k potvrzení teorie, avšak další generace experimentů může být schopna detekovat i signály těchto vln. A na základě charakteristických tvarů vln mohou pak astronomové vymezit do detailu formování supermasivních černých děr.

Od té doby budou vědci pokračovat ve vyhodnocování nových dat a zdokonalovat své modely.

Zdroj: http://www.sci-news.com/astronomy/early-universe-phase-transition-supermassive-black-holes-10621.html

autor: František Martinek