ภาพประกอบของเอกภพยุคแรก เครดิตรูปภาพ: NASA คลิกเพื่อดูภาพขยาย
ทุกอย่างเริ่มมานานแล้วในขณะที่จักรวาลยังเด็กมาก ดาวพ่อพันธุ์แม่พันธุ์ที่ใหญ่ที่สุดดวงหนึ่งในวัยเยาว์ของพวกเขาปั่นและ cavorting ในหมู่หญ้าสีเขียวที่อุดมไปด้วยสสารบริสุทธิ์ เมื่อเวลาที่กำหนดของพวกเขาหมดลงเครื่องยนต์นิวเคลียร์ก็ปล่อยก๊าซไฮโดรเจนและก๊าซฮีเลียมออกมามากมาย ในช่วงนี้กระจุกดาวมวลยวดยิ่งก่อตัวในกระเป๋าเล็ก ๆ ใกล้กับแกนกาแล็กซี่ตั้งไข่ - แต่ละกลุ่มจะว่ายน้ำในภูมิภาคเล็ก ๆ ของสสารขนาดเล็กยุคแรกเริ่ม
ดาวฤกษ์แรกสุดจะระเบิดเสร็จทำให้พ่นอะตอมหนักออกมาจนครบ แต่ก่อนที่จะมีการสะสมของมวลสารมากเกินไปในเอกภพหลุมดำที่เก่าที่สุดก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วผ่านการดูดกลืนซึ่งกันและกันและสะสมอิทธิพลแรงโน้มถ่วงให้มากพอที่จะดึง "Goldilocks" ก๊าซที่มีอุณหภูมิและองค์ประกอบที่แม่นยำ ขั้นตอนการเติบโตที่ยิ่งใหญ่นี้จะทำให้หลุมดำมวลมหาศาล (MBHs) ที่เร็วที่สุดกลายเป็นสถานะหลุมดำมวลมหาศาล (SMBH) อย่างรวดเร็ว จากสิ่งนี้ควาซาร์แรกเริ่มเข้ามาอาศัยอยู่ในมินิรัศมีผสมของโปรโตกาแล๊กซี่จำนวนมาก
รูปของการก่อตัวควาซาร์ในช่วงต้นนี้เกิดขึ้นจากรายงานล่าสุด (ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 2 มิถุนายน 2548) เรื่อง“ การเติบโตอย่างรวดเร็วของหลุมดำ Redshift สูง” เขียนโดยเคมบริดจ์แห่งสหราชอาณาจักรนักจักรวาลวิทยามาร์ตินเจรีสและ Marta Volonteri การศึกษาดังกล่าวถือว่าความเป็นไปได้ที่หน้าต่างสั้น ๆ ของการก่อตัวของ SMBH อย่างรวดเร็วจะเปิดหลังจากช่วงเวลาของความโปร่งใสสากล แต่ก่อนที่ก๊าซในสื่อระหว่างดวงดาวจะแตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ผ่านการแผ่รังสีดาวฤกษ์และเมล็ดโลหะหนักโดยซุปเปอร์โนวา โมเดล Rees-Volonteri พยายามอธิบายข้อเท็จจริงที่มาจากชุดข้อมูล Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ประมาณ 1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบงควาซาร์ที่เปล่งประกายจำนวนมากได้ก่อตัวขึ้นแล้ว แต่ละแห่งมี SMBHs ที่มีมวลมากกว่า 1 พันล้านดวงอาทิตย์ สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นจาก“ หลุมดำของเมล็ด” - เถ้าถ่านความโน้มถ่วงตกค้างหลังจากวัฏจักรซุปเปอร์โนวาแรกสุดยุบตัวลงในกลุ่มกาแลคซีขนาดใหญ่แห่งแรก เมื่อหนึ่งพันล้านปีก่อนโพสต์บิ๊กแบงมันก็จบสิ้นแล้ว มวลควบแน่นเร็วขนาดนี้ในพื้นที่ขนาดเล็กเช่นนั้นได้อย่างไร
ตามที่ Volontari และ Rees กล่าวว่า“ การที่จะเติบโตเมล็ดพืชได้มากถึง 1 พันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์นั้นต้องการการสะสมของก๊าซอย่างต่อเนื่องเกือบจะ…” การทำงานกับอัตราการเพิ่มขึ้นสูงเช่นนี้คือการแผ่รังสีจากสสารที่ตกลงสู่หลุมดำ น้ำหนักมากขึ้น, น้ำหนักเพิ่มขึ้น, อ้วนขึ้น". โมเดลส่วนใหญ่ของการเติบโตของ SMBH แสดงให้เห็นว่าประมาณ 30% ของมวลที่ตกลงไปในหลุมดำระดับกลาง (ขนาดใหญ่ - ไม่ใช่มวลยวดยิ่ง) จะถูกแปลงเป็นรังสี ผลของสิ่งนี้คือสองเท่า: สสารที่จะป้อน MBH หายไปจากการแผ่รังสีและความดันจากการแผ่รังสีออกไปด้านนอกจะหยุดการเดินขบวนของสสารเพิ่มเติมภายในเพื่อให้เกิดการเติบโตอย่างรวดเร็ว
กุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจการก่อตัว SMBH อย่างรวดเร็วนั้นอยู่ในความเป็นไปได้ที่ดิสก์สะสมรอบต้นของ MBH ไม่หนาแน่นอย่างที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน แต่เป็น "ไขมัน" ที่มีการกระจายของสารบางชนิด ภายใต้สภาวะเช่นนี้รังสีมีเส้นทางอิสระที่กว้างกว่าและสามารถหนีออกมาจากดิสก์ได้โดยไม่ขัดขวางการเคลื่อนไหวของสสาร เชื้อเพลิงผลักดันกระบวนการเติบโตของ SMBH ทั้งหมดถูกส่งไปยังขอบฟ้าเหตุการณ์หลุมดำอย่างมากมาย ในขณะที่ประเภทของสิ่งที่มีอยู่ในยุคแรกสุดนั้นส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจนแบบ monatomic และฮีเลียมไม่ใช่ชนิดของดิสก์โลหะผสมที่เพิ่มขึ้นอย่างหนาแน่นในยุคต่อมา ทั้งหมดนี้ชี้ให้เห็นว่าในช่วงต้น MBH นั้นเติบโตอย่างรวดเร็วในที่สุดคิดเป็นควาซาร์ที่เติบโตเต็มที่อย่างเต็มที่ในชุดข้อมูล SDSS MBH ในช่วงต้นดังกล่าวจะต้องมีอัตราส่วนการแปลงพลังงานมวลตามแบบฉบับของ SMBH ที่โตเต็มที่กว่า MBH ในปัจจุบัน
Volontari และ Rees กล่าวว่านักวิจัยก่อนหน้านี้ได้แสดงให้เห็นว่า“ ควาซาร์ที่พัฒนาแล้วอย่างสมบูรณ์มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานมวลประมาณ 10% …” คู่เตือนว่าทั้งคู่มีข้อควรระวังอย่างไรก็ตามค่าการแปลงพลังงานมวลนี้มาจากการศึกษาควาซาร์ การขยายตัวและ "ไม่มีอะไรรู้เกี่ยวกับประสิทธิภาพเชิงรังสีของควาซาร์อวกาศในจักรวาลยุคแรก ๆ " ด้วยเหตุนี้“ รูปภาพที่เรามีของ redshift Universe ต่ำอาจไม่สามารถใช้ได้ในเวลาก่อนหน้านี้” เห็นได้ชัดว่าเอกภพยุคแรกนั้นเต็มไปด้วยสสารหนาแน่นมากขึ้นสสารนั้นอยู่ที่อุณหภูมิสูงขึ้นและมีอัตราส่วนที่ไม่ใช่โลหะต่อโลหะสูงขึ้น ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้บอกว่าเป็นสิ่งที่ทุกคนคาดเดาได้ดีที่สุดว่ามีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานมวลชนในช่วงต้น MBHs เนื่องจากตอนนี้เราต้องอธิบายว่าทำไม SMBH จำนวนมากจึงมีอยู่ในควาซาร์ยุคแรกมันจึงสมเหตุสมผลที่ Volontari และ Rees ใช้สิ่งที่พวกเขารู้เกี่ยวกับดิสก์เพิ่มของวันนี้เป็นวิธีการอธิบายถึงวิธีที่ดิสก์เหล่านั้นอาจแตกต่างกันในอดีต
และเป็นช่วงเวลาที่เร็วที่สุด - ก่อนที่จะมีการแผ่รังสีจากดาวฤกษ์จำนวนมากอีกครั้งกลายเป็นก๊าซไอออไนซ์ภายในตัวกลางระหว่างดาวฤกษ์ เงื่อนไขดังกล่าวอาจใช้เวลาน้อยกว่า 100 ล้านปีและต้องการความสมดุลของผู้เชี่ยวชาญในด้านอุณหภูมิความหนาแน่นการกระจายและองค์ประกอบของสสารในจักรวาล
เพื่อให้ได้ภาพที่สมบูรณ์ (ตามที่เขียนลงในกระดาษ) เราเริ่มต้นด้วยแนวคิดที่ว่าเอกภพยุคแรกนั้นเต็มไปด้วยมินิ - ฮาโลนับไม่ถ้วนประกอบไปด้วยสสารมืดและ baryonic ที่มีกระจุกดาวขนาดใหญ่ แต่หนาแน่นมาก เนื่องจากความหนาแน่นของกระจุกดาวเหล่านี้ - และความหนาแน่นของดวงดาวประกอบไปด้วยพวกมัน - ซุปเปอร์โนวาได้พัฒนาอย่างรวดเร็วเพื่อวางไข่“ หลุมดำจำนวนมาก” BHs เมล็ดเหล่านี้รวมตัวกันเป็นหลุมดำขนาดใหญ่ ในขณะเดียวกันกองกำลังแรงโน้มถ่วงและการเคลื่อนไหวที่แท้จริงได้นำมินิรัศมีต่างๆเข้าด้วยกันอย่างรวดเร็ว สิ่งนี้สร้างรัศมีจำนวนมหาศาลที่สามารถให้อาหาร MBH ได้
ในเอกภพช่วงแรกสสารที่อยู่รอบ ๆ MBH นั้นมีรูปแบบของสเปอร์ฮีดที่ยากจนและเป็นโลหะขนาดใหญ่ของไฮโดรเจนและฮีเลียมเฉลี่ยประมาณ 8,000 องศาเคลวินในอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้อะตอมยังคงเป็นไอออน เนื่องจากอิออไนเซชันมีอิเล็กตรอนเพียงเล็กน้อยที่เกี่ยวข้องกับอะตอมเพื่อทำหน้าที่เป็นโฟตอนกับดัก ผลของความดันรังสีลดลงจนถึงจุดที่สสารตกไปในหลุมดำของเหตุการณ์ ในขณะเดียวกันอิเล็กตรอนอิสระก็กระจายแสง แสงดังกล่าวบางส่วนส่องแสงกลับเข้าไปในดิสก์เพิ่มมวลและแหล่งกำเนิดมวลอีกรูปแบบหนึ่ง - ในรูปแบบของพลังงาน - ฟีดระบบ ในที่สุดความขาดแคลนโลหะหนัก - เช่นออกซิเจนคาร์บอนและไนโตรเจน - หมายความว่าอะตอมของโมโนเมอร์ยังคงร้อนอยู่ เนื่องจากอุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 4,000 องศา K อะตอม de-ionize และกลายเป็นแรงดันรังสีอีกครั้งเพื่อลดการไหลของสสารใหม่ที่ตกลงสู่ขอบฟ้าเหตุการณ์ BH คุณสมบัติทางกายภาพล้วนๆเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะลดอัตราส่วนประสิทธิภาพพลังงาน - มวลลงทำให้ MBH สามารถลดน้ำหนักได้อย่างรวดเร็ว
ในขณะที่มินิ - ฮาโลสรวมตัวกันสสารแบริออนร้อนรวมตัวกันเป็นดิสก์“ หนา” ขนาดใหญ่ - ไม่ใช่วงแหวนบาง ๆ ที่มองเห็นรอบ ๆ SMBH's ในวันนี้ สิ่งนี้เกิดขึ้นเพราะรัศมีนั้นล้อมรอบ MBH ที่เติบโตอย่างรวดเร็วอย่างสมบูรณ์ การกระจายตัวของสสารรูปดาวฤกษ์เป็นแหล่งของสสารบริสุทธิ์สดและร้อนที่คงที่เพื่อป้อนดิสก์สะสมมวลรวมจากมุมที่หลากหลาย ดิสก์หนาหมายถึงปริมาณของสสารที่มากขึ้นเมื่อความหนาแน่นของแสงลดลง อีกครั้งสสารจัดการเพื่อหลีกเลี่ยงการถูก "แล่นเรือพลังงานแสงอาทิตย์" ออกไปด้านนอกจากกระเพาะปลาที่ปรากฏของ MBH และอัตราส่วนการแปลงพลังงานลดลง
ทั้งสองปัจจัย - ดิสก์ไขมันและอิออนอะตอมมวลต่ำกล่าวว่าในช่วงยุคทองของจักรวาลสีเขียวยุคแรก MBHs เติบโตอย่างรวดเร็ว ภายในระยะเวลาหนึ่งพันล้านปีของบิกแบงพวกเขาได้ปรับตัวให้เข้ากับความเป็นผู้ใหญ่ที่ค่อนข้างเงียบสงบได้อย่างมีประสิทธิภาพในการแปลงสสารให้เป็นแสงและส่งแสงนั้นไปทั่วเวลาและพื้นที่กว้างใหญ่ให้กลายเป็นเอกภพ
เขียนโดย Jeff Barbour
