Paradoxul formarii gaurilor negre ultramasive rezolvat

Noile simulari dezvaluie ca fuziunile galaxiilor triple ar putea ajuta la explicarea modului in care cele mai mari gauri negre din univers – gaurile negre ultramasive – au crescut atat de repede.

Cu un camp gravitational atat de puternic incat nici macar lumina nu poate scapa, gaurile negre sunt probabil cele mai interesante si bizare obiecte din univers. Datorita proprietatilor lor extreme, o descriere teoretica a acestor corpuri ceresti este imposibila in cadrul teoriei clasice a gravitatiei a lui Newton.

Ea necesita utilizarea relativitatii generale, teoria propusa de Einstein in 1915, care trateaza campurile gravitationale ca deformatii in tesatura spatiu-timp.

Gaurile negre se formeaza de obicei din prabusirea stelelor masive in timpul stadiului lor final de evolutie. Prin urmare, atunci cand se naste o gaura neagra, masa ei nu depaseste cateva zeci de mase solare.

Cu toate acestea, odata formata, o gaura neagra incepe sa absoarba materia din jurul ei. Si daca se afla in centrul unei galaxii, unde densitatea materiei este mare, poate creste pana la milioane si chiar miliarde de mase solare, devenind o gaura neagra supermasiva.

Calea noastra Lactee gazduieste si o astfel de gaura neagra numita Sagetator A*, care este de peste patru milioane de ori mai grea decat Soarele.

Desi Sagetator A* este un gigant in comparatie cu orice alt obiect din galaxia noastra, este mic fata de alte gauri negre cunoscute numite ultramasive, care au masa de zeci de miliarde de ori mai mare decat Soarele.

Acesti giganti reprezinta o provocare serioasa pentru oamenii de stiinta. Problema este ca, conform teoriei actuale a formarii si evolutiei galaxiilor, nicio gaura neagra nu ar fi trebuit sa aiba timp suficient pentru a castiga o masa atat de uriasa, chiar daca s-a format la scurt timp dupa Big Bang.

Pentru a rezolva aceasta contradictie intre teorie si observatii, cercetatorii au inaintat o ipoteza, sustinuta de anumite date astronomice, ca gaurile negre ultramasive se pot forma nu in timpul evolutiei unei singure galaxii, ci ca urmare a ciocnirii a doua sau chiar trei galaxii mari care gazduiesc gauri negre supermasive.

Acestia credeau ca, printr-o astfel de fuziune, gaurile negre se ciocnesc, formand una cu o masa mai mare. Si, important, rata de absorbtie a materiei acestei gauri negre mai mari este de multe ori mai mare decat cea a progenitorilor sai, permitand formarea unei gauri negre ultramasive intr-o perioada rezonabila de timp.

Cautarea gaurilor negre ultramasive cu ajutorul simularii

Ca orice alta ipoteza, aceasta teorie a fuziunii gaurilor negre supermasive trebuia testata.

Si pentru a face asta, o echipa de astrofizicieni americani condusa de Yueying Ni a folosit recent o simulare de formare a galaxiilor pe care au dezvoltat-o impreuna, numita Astrid, care este una dintre cele mai mari simulari cosmologice dezvoltate pana in prezent.

„Obiectivul stiintific al lui Astrid este de a studia formarea galaxiilor, fuziunea gaurilor negre supermasive si reionizarea de-a lungul istoriei cosmice”, a spus Ni. „Astrid modeleaza volume mari ale cosmosului care se intind pe sute de milioane de ani lumina, dar poate mari la rezolutie foarte mare.”

Pentru a rula simularea, astrofizicienii au folosit supercomputerul Frontera de la TACC, cel mai puternic supercomputer academic din SUA. „Frontera este singurul sistem pe care l-am realizat pe Astrid din prima zi”, a spus Ni. „Este o simulare pura bazata pe Frontera.”

In studiul, publicat pe 30 noiembrie in The Astrophysical Journal, grupul s-a concentrat asupra unei etape din evolutia universului care a avut loc cu aproximativ 10 pana la 11 miliarde de ani in urma.

In aceasta epoca, numita „amiaza cosmica”, ratele de formare a stelelor, precum si acumularea de materie de catre gaurile negre, au atins apogeul.

„Am descoperit ca un posibil canal de formare pentru gaurile negre ultramasive provine din fuziunea extrema a galaxiilor masive, care cel mai probabil a avut loc in epoca „amiezii cosmice”, a spus Ni.

In simularile lor, astrofizicienii au luat in considerare evolutia a 3.000 de galaxii, ceea ce a dus la formarea a peste 700 de gauri negre cu mase de peste 1 miliard de ori mai mari decat cea a Soarelui.

Sistemele de tripleti intra in ecuatie

Din aceasta gradina zoologica cosmica, s-au remarcat mai multe sisteme de galaxii triple care gazduiesc gauri negre supermasive, iar fiecare dintre ele a fuzionat in cele din urma intr-o galaxie ultramasiva.

„In aceasta epoca, am observat o fuziune extrema si relativ rapida a trei galaxii masive”, a spus Ni. „Fiecare dintre masele galaxiilor are de 10 ori masa propriei noastre galaxii Calea Lactee, iar o gaura neagra supermasiva se afla in centrul fiecareia.

Descoperirile noastre arata posibilitatea ca aceste sisteme de tripleti sa fie progenitorii acelor gauri negre ultramasive rare, dupa ce acesti tripleti interactioneaza gravitational si se contopesc unul cu celalalt”.

Gaurile negre din galaxiile masive nou formate au inceput sa creasca rapid si, in doar cateva sute de milioane de ani (amintim ca varsta universului este de aproximativ 13,8 miliarde de ani), au atins mase de aproximativ 50 de miliarde, 65 de miliarde si 100 de miliarde de mase solare, dupa care cresterea lor a incetinit semnificativ.

„Ceea ce am descoperit sunt trei gauri negre ultramasive care si-au asamblat masa in timpul pranzului cosmic, moment in urma cu 11 miliarde de ani, cand formarea stelelor, nucleele galactice active si gaurile negre supermasive in general au atins activitatea maxima”, a spus Ni.

Rezultatul simularii corespunde foarte bine cu observatiile, deoarece cele mai mari gauri negre cunoscute au mase de aproximativ 40 de miliarde pana la 65 de miliarde de mase solare.

Mai mult, nu numai masele gaurilor negre ultramasive, ci si structurile si luminozitatile galaxiilor care le gazduiesc, se potrivesc aproape perfect cu observatiile, facand studiul si mai fiabil.

O alta caracteristica interesanta a simularii este ca masele gaurilor negre ultramasive s-au dovedit a fi foarte apropiate de maximul teoretic, dupa care gaura neagra aproape ca ar trebui sa inceteze sa absoarba materie din discul de acretie care o inconjoara.

Acest lucru confirma in continuare atat acuratetea simularilor pe computer, cat si corectitudinea intelegerii noastre teoretice a modului in care gaurile negre interactioneaza cu materia.

Gasirea unor gauri negre ultramasive in viitor

Doar cateva gauri negre ultramasive au fost descoperite pana in prezent, asa ca sunt necesare observatii suplimentare pentru a testa acuratetea acestui model de formare.

Din fericire, exista multe telescoape, cum ar fi telescopul spatial James Webb (JWST) si detectoarele de unde gravitationale, cum ar fi LIGO si VIRGO, care ar trebui sa-i ajute pe cercetatori sa detecteze mai multe gauri negre si sa le inteleaga mai bine proprietatile.

LIGO si VIRGO pot detecta in prezent numai fuziuni ale gaurilor negre cu masa stelara mai mica, deoarece aceste detectoare nu sunt capabile sa detecteze undele gravitationale din fuziunile gaurilor negre supermasive sau ultramasive.

„In plus, viitorul observator al undelor gravitationale cu interferometru laser din spatiu (LISA) ne va oferi o intelegere mult mai buna a modului in care aceste gauri negre masive fuzioneaza, impreuna cu structura ierarhica, formarea si fuzionarea galaxiilor de-a lungul istoriei cosmice”, a spus Ni.

„Acesta este un moment interesant pentru astrofizicieni si este bine ca putem avea simulari pentru a permite predictii teoretice pentru aceste observatii.”

Mai mult, grupul de cercetare al lui Ni planuieste sa foloseasca aceste observatoare si simularile Astrid pentru a studia nu numai gaurile negre ultramasive, ci si proprietatile nucleelor galactice active (AGN) – regiuni compacte, ultraluminoase despre care se crede ca sunt alimentate de gaurile negre supermasive – si galaxiile care le gazduiesc.

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: astronomy.com, universemagazine.com, sci.news.

Foto: ESA/ Hubble & NASA, M. Sun.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.