Ilustracija zgodnjega Vesolja. Kreditna slika: NASA. Kliknite za povečavo.
Vse se je začelo že zdavnaj, ko je bilo vesolje zelo mlado. Najzgodnejše množične vzrediteljske zvezde so se v mladosti zvrstile - vrtenje in korenje med bogatimi zelenimi travami deviške snovi. Medtem ko se je čas, ki je bil porabljen, jedrski motorji izstrelili ekspanzivne tokove vročega vodika in helijevega plina - obogatili medzvezdne medije. V tej fazi so se v majhnih žepih v bližini nastajajočih galaktičnih jeder oblikovali supermasivni zvezdni grozdi - vsak grozd plava v majhnih predelih primordialne mini-halo materije.
Ko so zaključile svoj cikel, so eksplodirale najzgodnejše vzrediteljske zvezde in izstrelile težke atome. Toda preden se je v vesolju nabralo preveč težke snovi, so nastale najzgodnejše črne luknje, hitro rasle z medsebojno asimilacijo in nabrale dovolj gravitacijskega vpliva, da so v velike široke diskrecijske ploščice izvlekle plinove Goldilocks z natančnimi temperaturami in sestavo. Ta nadkritična faza rasti je najhitreje zrcalila črne luknje (MBH) do statusa supermasivne črne luknje (SMBH). Od tega so se zgodnji kvazarji naselili v zlitjih mini halosov številnih protogalaksij.
Ta slika zgodnjega nastajanja kvazarja je nastala iz nedavnega prispevka (objavljenega 2. junija 2005) z naslovom "Hitra rast črnih lukenj v rdečem premiku", ki sta ga napisala britanska kozmologa Martin J. Rees in Marta Volonteri. Ta študija obravnava možnost, da se je po času splošne preglednosti odprlo kratko okno hitrega nastajanja SMBH, vendar preden so se plini v medzvezdnem mediju v celoti ponovno ionizirali s pomočjo zvezdnega sevanja in jih s supernovami posejali s težkimi kovinami. Model Rees-Volonteri poskuša razložiti dejstva, ki izhajajo iz podatkovne zbirke Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Že 1 milijarda let po velikem udaru se je oblikovalo že veliko zelo sevalnih kvazarjev. Vsaka s SMBH ima maso več kot 1 milijardo soncev. Ti so nastali iz "semenskih črnih lukenj" - gravitacijskih vžigalic, ki so jih zapustili po najzgodnejšem ciklu sesutja supernov med prvimi masivnimi galaktičnimi grozdi. Do milijarde let po velikem udaru je bilo vse prej kot konec. Kako bi se lahko tako velika masa kondenzirala v tako majhne vesoljske prostore?
Volontari in Rees pravijo, da "za gojenje takšnih semen do 1 milijarde sončnih mas zahteva skoraj neprekinjeno kopičenje plina ..." Delo proti tako visoki hitrosti akumulacije je dejstvo, da sevanje iz snovi, ki pade v črno luknjo, običajno izravna hitro " povečanje telesne mase". Večina modelov rasti SMBH kaže, da se približno 30% mase, ki pada proti vmesni (masivni - ne supermasivni) črni luknji, pretvori v sevanje. Učinek tega je dvojen: Materija, ki bi sicer napajala MBH, izgubi sevanje in zunanji sevalni tlak zaduši pohod dodatne snovi navznoter, da nahrani hitro rast.
Ključ do razumevanja hitrega nastajanja SMBH je v možnosti, da diski z zgodnjim nabiranjem okoli MBH niso bili tako optično gosti, kot so danes - ampak "maščoba" z močno porazdeljeno snovjo. V takšnih pogojih ima sevanje širšo srednjo prosto pot in lahko pobegne preko diskov, ne da bi oviralo gibanje snovi navznoter. Gorivo, ki poganja celoten proces rasti SMBH, se bogato odda v obzorje dogodkov črne luknje. Medtem so bili tipi, ki so bili prisotni v najzgodnejših obdobjih, večinoma mononatni vodik in helij - ne pa vrsta akumulacijskih diskov s težkimi kovinami iz poznejše dobe. Vse to kaže na to, da se je zgodnji hitri MBH odrasel v naglici, kar je končno predstavljalo številne popolnoma zrele kvazarje, ki jih vidimo v podatkovni bazi SDSS. Takšni zgodnji MBH morajo imeti razmerja pretvorbe mase-energije bolj značilna za popolnoma zrele SMBH kot današnja MBH.
Volontari in Rees pravita, da so prejšnji preiskovalci dokazali, da imajo v celoti razviti "kvazarji izkoristek pretvorbe mase v energijo približno 10% ..." Vendar pa par opozarja, da ta vrednost pretvorbe v maso energije izhaja iz študij kvazarjev iz poznejšega obdobja v Universal širjenja in da "o sevalni učinkovitosti predgalaktičnih kvazarjev v zgodnjem vesolju ni nič znanega." Zaradi tega "slika, ki jo imamo v vesolju z nizkim rdečim premikom, morda ne bo veljala prej." Jasno je bilo, da je bil zgodnji vesolj bolj napolnjen s snovjo, da je bila zadeva višja in je večje razmerje med nekovinami in kovinami. Vsi ti dejavniki pravijo, da je skoraj vsakdo najboljši ugib glede učinkovitosti pretvorbe množične energije v zgodnjih MBH. Ker moramo zdaj pojasniti, zakaj toliko zgodnjih SMBH obstaja med zgodnjimi kvazarji, je smiselno, da Volontari in Rees uporabljajo tisto, kar vedo o današnjih akumulacijskih diskih, kot sredstvo za razlago, kako so se v preteklosti takšni diski razlikovali.
In najzgodnejši časi - preden je sevanje iz številnih zvezd ponovno ioniziralo pline v medzvezdnih medijih - so ponudili pogoje za hitro nastajanje SMBH. Takšne razmere so morda trajale manj kot 100 milijonov let in zahtevale primerno uravnoteženje temperature, gostote, razporeditve in sestave snovi v vesolju.
Da bi dobili popolno sliko (kot je narisano v prispevku), začnemo z idejo, da je bilo zgodnje vesolje poseljeno z neštetimi mini halosi, sestavljenimi iz temnih in barionskih snovi z zelo masivnimi, a izjemno gostimi zvezdnimi grozdi v njihovi sredini. Zaradi gostote teh grozdov - in mase zvezd, ki jih vsebujejo - so se supernove hitro razvile, da bi sprožile številne "semenske črne luknje". Ti semenski BH-ji so se združili v ogromne črne luknje. Medtem so gravitacijske sile in realni gibi hitro združili različne mini haloge. To je ustvarilo vedno bolj masivne haloge, ki so sposobni hraniti MBH.
V zgodnjem vesolju so bile snovi, ki obdajajo MBH, v obliki ogromnih kovinskih sferoidov vodika in helija v povprečju približno 8000 stopinj Kelvina. Pri tako visokih temperaturah ostajajo atomi ionizirani. Zaradi ionizacije je bilo nekaj elektronov, povezanih z atomi, ki bi delovali kot fotonske pasti. Učinki sevalnega tlaka so se zmanjšali do točke, ko je zadeva lažje padla na obzorje dogodkov črnih lukenj. Medtem prosti elektroni sami razpršijo svetlobo. Nekatera od te svetlobe se dejansko ponovno seva nazaj proti diskrecijskemu disku, drug vir mase - v obliki energije - pa napaja sistem. Konec koncev, teža težkih kovin - kot so kisik, ogljik in dušik - pomeni, da monotomski atomi ostanejo vroči. Ker temperature padejo pod 4.000 stopinj K, se atomi deionizirajo in spet postanejo izpostavljeni sevalnemu tlaku, ki zmanjšuje pretok sveže snovi, ki pade v dogajalni horizont BH. Vse te čisto fizične lastnosti so ponavadi pritiskale na razmerja med maso in energijo, kar je omogočilo, da se MBH hitro shujša.
Medtem, ko so se mini haloi združili, se je vroča barionska snov kondenzirala v ogromne "debele" diske - ne pa tankih obročev, ki jih vidimo danes v SMBH. Do tega je prišlo, ker je sama halo snov popolnoma obkrožala hitro rastoče MBH. Ta sferoidna porazdelitev snovi je bila stalni vir sveže, vroče, deviške snovi, ki je hranila akumulacijski disk iz različnih zornih kotov. Debeli diski so pomenili večje količine snovi pri nižji optični gostoti. Znova se je materiji uspelo izogniti, da bi bila „jadrnica na soncu“ navzven stran od zasičene mave MBH in razmerja pretvorbe mase-energije so padla.
Oba dejavnika - maščobni diski in ionizirani atomi z nizko maso - pravijo, da je v zlati dobi zgodnjega zelenega vesolja MBH hitro raslo. V milijardi let velikega poka so se ustalili v razmeroma tihi zrelosti, ki je učinkovito pretvorila materijo v svetlobo in jo svetlobo iz večjih dosegov časa in prostora pretakala v vesolje, ki se lahko vedno širi.
Spisal Jeff Barbour
