Hoe je uit het niets een zwart gat kunt creëren

Hoeveel manieren zijn er om dit universum te verlaten?

Misschien wel de beroemdste regisseur brengt de dood van een ster met zich mee. In 1939 stelde natuurkundige J. Robert Oppenheimer en zijn student Hartland Snyder, van de Universiteit van Californië, Berkeley, ontdekten dat wanneer een voldoende massieve ster geen thermonucleaire brandstof meer heeft, deze naar binnen instort en voor altijd blijft instorten, waardoor de ruimte, de tijd en de ruimte kleiner worden. Licht verandert zichzelf in wat tegenwoordig een zwart gat wordt genoemd.

Maar het blijkt dat een dode ster misschien niet nodig is om een ​​zwart gat te vormen. In plaats daarvan zouden gigantische wolken van primordiaal gas, althans in het vroege heelal, rechtstreeks in zwarte gaten kunnen zijn ingestort, waardoor ze hun miljoenen jaren van sterrenstatus hebben omzeild.

Dat is de voorlopige conclusie die onlangs is getrokken door een groep astronomen die UHZ-1 bestuderen, een lichtpuntje dat dateert van niet lang na de oerknal. In feite is (of was) UHZ-1 een krachtige quasar die 13,2 miljard jaar geleden vuur en röntgenstraling uit een superzwaar zwart gat schoot, toen het universum nog niet eens 500 miljoen jaar oud was.

In kosmologische termen is dit ongebruikelijk dichtbij, aangezien een superzwaar zwart gat zou kunnen ontstaan ​​door het instorten en samensmelten van sterren. Priyamvada Natarajan, astronoom aan de Yale Universiteit en hoofdauteur van Paper gepubliceerd in het tijdschrift Astrophysical LettersZij en haar collega's bevestigen dat ze in UHZ-1 een nieuw hemeltype hebben ontdekt, dat zij een supermassief zwart gatstelsel of OBG noemen. In de kern is de OBG een jong sterrenstelsel, verankerd door een zwart gat dat heel snel heel groot is geworden. .

De ontdekking van deze vroege quasar zou astronomen kunnen helpen een verwant mysterie op te lossen dat hen al tientallen jaren in verwarring brengt. Bijna elk zichtbaar sterrenstelsel in het moderne universum lijkt in zijn centrum een ​​superzwaar zwart gat te bevatten dat miljoenen of miljarden keren zo zwaar is als de zon. Waar kwamen die monsters vandaan? Is het mogelijk dat gewone zwarte gaten zo snel kunnen groeien?

Dr. Natarajan en haar collega's suggereren dat UHZ-1, en misschien veel superzware zwarte gaten, begonnen zijn als oerwolken. Deze wolken zijn mogelijk ingestort tot korrels die voortijdig zwaar waren, genoeg om de groei van massieve zwart-gatstelsels op gang te brengen. Het herinnert ons er opnieuw aan dat het universum dat we zien wordt beheerst door een onzichtbare geometrie van duisternis.

“Als de eerste OBG-kandidaat levert UHZ-1 overtuigend bewijs voor de vorming van zware protozaden door directe ineenstorting in het vroege heelal”, schreven Dr. Natarajan en haar collega’s. “Het lijkt erop dat de natuur op veel manieren BH-zaden creëert,” voegde ze eraan toe in een e-mail, “meer dan alleen de dood van sterren!”

“Bria heeft een heel interessant zwart gat gevonden, als dat waar is”, zegt Daniel Holz, een theoreticus aan de Universiteit van Chicago die zwarte gaten bestudeert.

Hij voegde eraan toe: “Het is gewoon te groot en te vroeg. Het is alsof je in een kleuterklas kijkt, en onder alle vijfjarigen is er één die 150 pond weegt en/of 1,80 meter lang is.

Volgens het verhaal dat astronomen zichzelf blijven vertellen over de evolutie van het heelal, zijn de eerste sterren gecondenseerd uit waterstof- en heliumwolken die overbleven na de oerknal. Ze brandden heet en snel, explodeerden en stortten snel in en vormden zwarte gaten met een massa van 10 tot 100 keer de massa van de zon.

Door de eeuwen heen zijn opeenvolgende generaties sterren gevormd uit de as van voorgaande sterren, waardoor de chemie van het universum is verrijkt. De zwarte gaten die overbleven na hun dood bleven op de een of andere manier samensmelten en groeien, waardoor superzware zwarte gaten ontstonden in de centra van sterrenstelsels.

De James Webb-ruimtetelescoop, die deze kerst twee jaar geleden werd gelanceerd, werd ontworpen om dit idee te testen. Het heeft de grootste spiegel in de ruimte, met een diameter van 6,5 meter. Het allerbelangrijkste is dat het is ontworpen om de infrarode golflengten vast te leggen die worden uitgezonden door het licht van de meest verre en dus oudste sterren in het universum.

Maar toen de nieuwe telescoop eenmaal op de hemel was gericht, kon hij nieuwe sterrenstelsels zien die zo groot en helder waren dat ze de verwachtingen van kosmologen te boven gingen. De afgelopen twee jaar zijn er discussies geweest over de vraag of deze waarnemingen daadwerkelijk een al lang bestaand model van het universum bedreigen. Het model beschrijft het universum als bestaande uit een spoor van zichtbare materie, verbazingwekkende hoeveelheden ‘donkere materie’, die zorgt voor de zwaartekracht om sterrenstelsels samen te binden, en ‘donkere energie’, die deze sterrenstelsels uit elkaar duwt.

De ontdekking van UHZ-1 vertegenwoordigt een keerpunt in deze discussies. Ter voorbereiding op toekomstige waarnemingen met de James Webb-ruimtetelescoop van een enorme cluster van sterrenstelsels in het sterrenbeeld Sculptor, verzocht het team van Dr. Natarajan om tijd bij NASA's Chandra X-ray Observatory. De massa van de cluster fungeert als een zwaartekrachtlens, waardoor objecten erachter in ruimte en tijd worden vergroot. De onderzoekers hoopten een röntgenfoto te kunnen maken van wat de lens ook zou kunnen zien.

Wat ze vonden was een quasar die werd aangedreven door een superzwaar zwart gat met een massa van ongeveer 40 miljoen keer de massa van de zon. Verdere waarnemingen met de Webb-telescoop bevestigden dat de afstand 13,2 miljard lichtjaar bedraagt. (De Sculptor Cluster bevindt zich op ongeveer 3,5 miljard lichtjaar afstand.) Het was de verste en oudste quasar die ooit in het universum is ontdekt.

“We hadden Webb nodig om dit opmerkelijk verre sterrenstelsel te vinden, en Chandra om zijn superzware zwarte gat te vinden”, zegt Akos Bogdan van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in een persbericht. “We hebben ook gebruik gemaakt van een kosmisch vergrootglas dat de hoeveelheid licht die we hebben gedetecteerd vergroot.”

De resultaten geven aan dat superzware zwarte gaten 470 miljoen jaar na de oerknal bestonden. Dat is niet genoeg tijd om de zwarte gaten gecreëerd door de eerste generatie sterren – variërend van 10 tot 100 zonsmassa’s – zo groot te laten worden.

Was er een andere manier om grotere zwarte gaten te vormen? In 2017 suggereerde Dr. Natarajan dat de ineenstorting van oorspronkelijke gaswolken zou kunnen leiden tot het ontstaan ​​van zwarte gaten die 10.000 keer massiever zijn dan de zon.

“Je kunt je dan voorstellen dat een van hen later uitgroeit tot dit kleine, vroege grote zwarte gat”, zei Dr. Holz. Als gevolg hiervan merkte hij op: “Op elk volgend tijdstip in de geschiedenis van het universum zullen er altijd verrassend grote zwarte gaten zijn.”

“Het feit dat deze objecten in hyperzware levens beginnen, betekent dat ze uiteindelijk waarschijnlijk zullen evolueren naar superzware zwarte gaten,” zei Dr. Natarajan. Maar niemand weet hoe dat werkt. Zwarte gaten vormen 10% van de massa van de vroege quasar UHZ-1, terwijl ze minder dan een duizendste van de massa van moderne sterrenstelsels uitmaken, zoals het gigantische sterrenstelsel Messier 87, waarvan het zwarte gat een massa van 6,5 massa heeft. Eén miljard zonsmassa's toen de foto ervan in 2019 werd gemaakt door de Event Horizon Telescope.

Dit suggereert dat de effecten van complexe omgevingsfeedback de groei en evolutie van deze sterrenstelsels en hun zwarte gaten domineren, waardoor ze meer massa in sterren en gas accumuleren.

“In feite verzenden en verhelderen deze zeer vroege OBG's meer informatie over de fysica van het zaad in plaats van de daaropvolgende groei en ontwikkeling”, zei Dr. Natarajan. ‘Hoewel het belangrijke implicaties heeft’, voegde ze eraan toe.

“Het zou zeker geweldig zijn als dat zou blijken te zijn wat er gebeurt, maar ik weet het niet echt,” zei Dr. Holz. “Het zal een fascinerend verhaal zijn, ongeacht hoe het mysterie van de vroege grote zwarte gaten wordt opgelost”, voegde hij eraan toe.