อะไรที่ทำให้เกิดหลุมดำในช่วงแรกทำให้เกิดการเติบโตอย่างรวดเร็ว การค้นพบใหม่โดยนักวิจัยที่ Carnegie Mellon University โดยใช้การจำลองแบบซูเปอร์คอมพิวเตอร์และเทคโนโลยี GigaPan Time Machine แสดงให้เห็นว่าอาหารของจักรวาล“ อาหารจานด่วน” (กระแสบาง ๆ ของก๊าซเย็น) ไหลผ่านใจกลางของหลุมดำแรกไม่ได้ พวกเขาเป็น "supersized" และเติบโตเร็วกว่าสิ่งอื่นใดในจักรวาล
เมื่อจักรวาลของเราอายุน้อยกว่าหนึ่งพันล้านปีหลังจากบิกแบงกาแลคซีเพิ่งเริ่มก่อตัวและเติบโต ตามทฤษฎีก่อนหน้าหลุมดำในเวลานั้นควรมีขนาดเล็กเท่ากัน ข้อมูลจากการสำรวจสโลนดิจิตอลสกายได้แสดงหลักฐานว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลอยู่ในช่วงต้น 700 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบง
“ การสำรวจสโลนดิจิตอลสกายค้นพบหลุมดำมวลมหาศาลที่น้อยกว่า 1 พันล้านปี พวกมันมีขนาดเท่ากับหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดในปัจจุบันซึ่งมีอายุ 13.6 พันล้านปี” Tiziana Di Matteo รองศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ (มหาวิทยาลัย Carnegie Mellon) กล่าว “ มันเป็นปริศนา ทำไมหลุมดำถึงก่อตัวเร็วนักเมื่อมันใช้เวลาทั้งอายุของเอกภพเพื่อให้คนอื่น ๆ ถึงมวลเท่ากัน?”
หลุมดำมวลมหาศาลเป็นหลุมดำที่ใหญ่ที่สุดที่มีอยู่ - ชั่งน้ำหนักมวลดวงอาทิตย์นับพันล้านเท่า หลุมดำ“ ธรรมดา” ส่วนใหญ่มีมวลมากกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 30 เท่า กลไกที่เป็นที่ยอมรับในปัจจุบันสำหรับการก่อตัวของหลุมดำมวลมหาศาลนั้นเกิดจากการรวมตัวของกาแลคซี ปัญหาอย่างหนึ่งของทฤษฎีนี้และวิธีการที่นำไปใช้กับหลุมดำมวลมหาศาลในยุคแรกคือในเอกภพยุคแรกมีกาแลคซีหลายแห่งและพวกมันอยู่ห่างกันมากเกินไปที่จะรวมกัน
Rupert Croft รองศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ (มหาวิทยาลัย Carnegie Mellon) กล่าวว่า“ ถ้าคุณเขียนสมการว่ากาแลคซีและหลุมดำก่อตัวขึ้นได้อย่างไรดูเหมือนว่าเป็นไปไม่ได้ที่มวลมหาศาลเหล่านี้จะก่อตัวขึ้นในช่วงต้น แต่เรามองไปที่ท้องฟ้าและ พวกเขาอยู่นั่น."
ในความพยายามที่จะเข้าใจกระบวนการที่ก่อให้เกิดหลุมดำมวลมหาศาลช่วงต้น Di Matteo, Croft และ Khandai ได้สร้าง MassiveBlack - การจำลองทางดาราศาสตร์ที่ใหญ่ที่สุดจนถึงปัจจุบัน จุดประสงค์ของ MassiveBlack คือการจำลองจักรวาลของเราอย่างถูกต้องพันล้านปีแรก การอธิบาย MassiveBlack ดิมัตเตโอกล่าวว่า“ การจำลองนี้มีขนาดมหึมาอย่างแท้จริง มันใหญ่ที่สุดในแง่ของระดับฟิสิกส์และปริมาตรจริง เราทำเช่นนั้นเพราะเราสนใจที่จะดูสิ่งที่หายากในเอกภพเช่นหลุมดำแห่งแรก เนื่องจากเป็นของหายากคุณจึงต้องค้นหาพื้นที่จำนวนมาก”
ครอฟต์และทีมเริ่มการจำลองโดยใช้แบบจำลองที่รู้จักกันดีของจักรวาลวิทยาตามทฤษฎีและกฎหมายของฟิสิกส์ยุคใหม่ “ เราไม่ได้บ้าอะไรเลยไม่มีวิชาเวทมนต์ไม่มีอะไรพิเศษ มันเป็นฟิสิกส์แบบเดียวกับที่สร้างกาแลคซีในแบบจำลองของเอกภพในภายหลัง "ครอฟต์กล่าว “ แต่อย่างน่าอัศจรรย์ควาซาร์ยุคแรก ๆ เหล่านี้ที่ปรากฎตามที่ปรากฏ เราไม่รู้ว่าพวกเขากำลังจะมาปรากฏตัว มันวิเศษมากที่จะวัดมวลของพวกเขาและไป go ว้าว! สิ่งเหล่านี้มีขนาดที่ถูกต้องและปรากฏตรงจุดในเวลาที่เหมาะสม 'มันเป็นเรื่องราวความสำเร็จของทฤษฎีจักรวาลวิทยายุคใหม่'
ข้อมูลจาก MassiveBlack ถูกบันทึกอยู่ในโครงการ GigaPan Time Machine ด้วยการรวมข้อมูล MassiveBlack เข้ากับโครงการ GigaPan Time Machine นักวิจัยก็สามารถดูการจำลองราวกับว่ามันเป็นภาพยนตร์ - ปรากฎว่าสามารถข้ามไปทั่วจักรวาลที่จำลองขึ้นมาได้อย่างง่ายดาย เมื่อทีมสังเกตเห็นเหตุการณ์ที่น่าสนใจพวกเขาก็สามารถซูมเข้าเพื่อดูเหตุการณ์ในรายละเอียดมากกว่าสิ่งที่พวกเขาเห็นในจักรวาลของเราด้วยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินหรืออวกาศ
เมื่อทีมขยายเข้าไปในการสร้างหลุมดำมวลมหาศาลแห่งแรกพวกเขาเห็นสิ่งที่ไม่คาดคิด การสังเกตปกติแสดงให้เห็นว่าเมื่อก๊าซเย็นไหลไปยังหลุมดำมันจะถูกทำให้ร้อนจากการชนกับโมเลกุลก๊าซอื่น ๆ ที่อยู่ใกล้เคียงจากนั้นเย็นลงก่อนเข้าสู่หลุมดำ กระบวนการนี้เรียกว่า 'การให้ความร้อนด้วยการช็อต' ซึ่งเป็นกระบวนการที่ควรจะหยุดหลุมดำช่วงแรกไม่ให้เข้าถึงมวลที่สำรวจ แต่ทีมสังเกตเห็นลำธารเล็ก ๆ ของก๊าซหนาแน่นเย็นไหลผ่าน 'เส้นใย' ที่เห็นในการสำรวจขนาดใหญ่ที่เปิดเผยโครงสร้างของจักรวาลของเรา เส้นใยปล่อยให้ก๊าซไหลตรงสู่ใจกลางของหลุมดำด้วยความเร็วเหลือเชื่อทำให้พวกมันมีอาหารเย็นและรวดเร็ว การบริโภคที่มั่นคง แต่ไม่สามารถควบคุมได้ทำให้กลไกสำหรับหลุมดำเติบโตในอัตราที่เร็วกว่ากาแลคซีโฮสต์ของพวกเขา
การค้นพบนี้จะถูกเผยแพร่ใน Astrophysical Journal Letters
หากคุณต้องการอ่านเพิ่มเติมให้ดูเอกสารด้านล่าง (ผ่าน Physics arXiv):
Terapixel Imaging ของการจำลองจักรวาล
การก่อตัวของกาแล็กซี่โฮสติ้ง z ~ 6 Quasars
หลุมดำช่วงแรกในแบบจำลองจักรวาล
กระแสเย็นและควาซาร์ตัวแรก
เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ Gigapan และ MassiveBlack ได้ที่: http://gigapan.org/gigapans/76215/ และ http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
ที่มา: Carnegie Mellon University Press Release
