Simulări dezvăluie mediul în care s-au format primele găuri negre supermasive
Cercetătorii au identificat condițiile favorabile formării semințelor de găuri negre supermasive prin colaps direct, în primele sute de milioane de ani după Big Bang.
Observațiile realizate cu Telescopul Spațial James Webb au surprins o abundență de galaxii care adăposteau ceea ce pareau a fi semințele găurilor negre supermasive, la mai puțin de un miliard de ani după Big Bang. Existența unor astfel de găuri negre atât de masive atât de devreme în univers a pus sub semnul întrebării modelele anterioare, în care stelele colapsează la sfârșitul vieții pentru a forma găuri negre ce fuzionează treptat.
Acest lucru i-a determinat pe astronomi să ia în considerare o cale alternativă, în care nori masivi de gaz rece s-au coalescentat în centrul galaxiilor timpurii și au colapsat pentru a forma găuri negre — scenariul cunoscut sub numele de gaură neagră cu colaps direct.
Pentru a investiga acest scenariu, o echipă internațională de astronomi a analizat modul în care fuziunile de materie întunecată și regiunile de spațiu dense, cu cantități mari de gaz, praf și stele, reprezintă medii favorabile formării semințelor de găuri negre supermasive. Cercetarea a fost condusă de Alessandro Trinca, cercetător postdoctoral la Institutul de Astronomie și Observatorul Regal al Universității din Edinburgh, alături de cercetători de la Centrul de Astrofizică Como Lake, Observatorul Astronomic INAF din Roma, Observatorul INAF de Astrofizică și Știința Spațiului din Bologna, Institutul de Știință și Tehnologie din Austria, Institut d’Astrophysique, Școala Sapienza pentru Studii Avansate și mai multe universități. Lucrarea a fost publicată în Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Echipa a combinat simulări de înaltă rezoluție de tip N-body ale arborelui de fuziuni de halouri de materie întunecată cu un model semi-analitic al formării găurilor negre și al co-evoluției galaxiilor. Istoricul fuziunilor de halouri a fost simulat folosind software de zoom-in cosmologic bazat pe codul de particule GIZMO, urmat de simulări ale componentei barionice în toate halourile progenitoare, utilizând Cosmic Archaeology Tool, un model semi-analitic folosit pentru interpretarea proprietăților surselor observate la redshift ridicat.
Rezultatele au arătat că semințele masive de găuri negre s-ar fi putut forma prin colaps direct încă de acum 13,64 miliarde de ani, la mai puțin de 500 de milioane de ani după Big Bang. Acest proces ar fi continuat până acum aproximativ 13,5–13,4 miliarde de ani, moment în care îmbogățirea cu metale a mediului intergalactic — cauzată de exploziile supernovelor primelor stele din Populația III — ar fi inhibat noi episoade de colaps direct.
Autorii concluzionează că rezultatele oferă un cadru teoretic pentru testarea condițiilor care favorizează formarea semințelor grele și pentru evaluarea rolului colapsului direct ca cale către populația de găuri negre supermasive observată la redshift foarte ridicat. Identificarea unei populații mari de candidate de nuclee galactice active însoțitoare ale quasarilor în viitoarele sondaje ar reprezenta o indicație puternică că formarea timpurie a găurilor negre masive are loc preferențial în medii puternic grupate și supradense.
