นักดาราศาสตร์พบว่ามีหลุมดำมวลมหาศาลที่เก่าแก่มาก ๆ เกิดขึ้นเมื่อเอกภพยังเด็ก แต่พวกเขางุนงงว่าหลุมดำสามารถเติบโตได้ขนาดใหญ่เช่นนี้อย่างไรเมื่อเอกภพเป็นเพียงเด็กวัยหัดเดิน
นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบชุดเงื่อนไขที่ไม่เหมือนใครในปัจจุบันเมื่อครึ่งพันล้านปีหลังจากบิกแบงที่อนุญาตให้หลุมดำมอนสเตอร์เหล่านี้ก่อตัวขึ้น แหล่งกำเนิดรังสีรุนแรงที่แปลกประหลาดสร้างสิ่งที่เรียกว่า "หลุมดำยุบโดยตรง"
“ มันเป็นปาฏิหาริย์ในจักรวาล” วอลเกอร์บรอมม์แห่งมหาวิทยาลัยเท็กซัสของออสตินกล่าวซึ่งทำงานร่วมกับนักดาราศาสตร์หลายคนในการค้นพบ “ มันเป็นครั้งเดียวในประวัติศาสตร์ของจักรวาลเมื่อเงื่อนไขเหมาะสมสำหรับพวกเขาในการก่อตัว”
ความเข้าใจแบบดั้งเดิมเกี่ยวกับวิธีการก่อตัวของหลุมดำเรียกว่าทฤษฎีการสะสมที่ซึ่งดาวมวลสูงมากยุบตัวและ "หลุม" ของหลุมดำถูกสร้างขึ้นจากการล่มสลายโดยดึงก๊าซจากสภาพแวดล้อมและการควบรวมของหลุมดำขนาดเล็ก แต่กระบวนการนั้นใช้เวลานานนานกว่าหลุมดำที่ก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วเหล่านี้ นอกจากนี้เอกภพยุคแรกไม่มีปริมาณของก๊าซและฝุ่นที่จำเป็นสำหรับหลุมดำมวลมหาศาลที่จะเติบโตให้มีขนาดใหญ่โต
การค้นพบใหม่แนะนำว่าแทนที่จะเป็นหลุมดำแรกแห่งหนึ่งที่ก่อตัวขึ้นโดยตรงเมื่อเมฆก๊าซยุบตัวลงผ่านช่วงกลางอื่น ๆ เช่นการก่อตัวและการทำลายล้างของดาวมวลสูง
แน่นอนเช่นเดียวกับหลุมดำหลุมดำ "ยุบโดยตรง" เหล่านี้ไม่สามารถมองเห็นได้ แต่มีหลักฐานที่ชัดเจนว่าพวกเขาจำเป็นต้องใช้พลังควาซาร์ที่ส่องสว่างสูงที่ตรวจพบในเอกภพอายุน้อย ความสว่างอันยิ่งใหญ่ของควาซาร์มาจากสสารที่พุ่งขึ้นสู่หลุมดำมวลมหาศาลความร้อนถึงหลายล้านองศาสร้างเจ็ตส์ที่เปล่งประกายราวกับบีคอนทั่วจักรวาล แต่เนื่องจากทฤษฎีการเพิ่มขึ้นไม่ได้อธิบายหลุมดำมวลมหาศาลในระยะที่ไกลมากนักและยังเป็นเด็ก - จักรวาลนักดาราศาสตร์ก็ไม่สามารถอธิบายควาซาร์ได้เช่นกัน สิ่งนี้ถูกเรียกว่า "ปัญหาเมล็ดควาซาร์"
Avas Loeb จากศูนย์ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ฮาร์วาร์ด - สมิ ธ โซเนียนกล่าวว่า“ ควาซาร์ที่สังเกตเห็นในเอกภพยุคแรกนั้นมีลักษณะคล้ายทารกยักษ์ในห้องคลอดที่เต็มไปด้วยทารกปกติ “ มีคนสงสัยอยู่ว่า: สิ่งใดเป็นพิเศษเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมที่เลี้ยงดูลูกน้อยยักษ์เหล่านี้ โดยปกติแล้วอ่างเก็บน้ำก๊าซเย็นในกาแลคซีใกล้เคียงเช่นทางช้างเผือกส่วนใหญ่จะก่อตัวโดยการก่อตัวดาวฤกษ์”
แต่ในปี 2003 Bromm และ Loeb เกิดความคิดเชิงทฤษฎีเพื่อให้ได้กาแลคซียุคแรกเพื่อก่อตัวเป็นหลุมดำมวลยวดยิ่งโดยการยับยั้งการป้อนพลังงานที่ไม่สามารถห้ามได้จากการก่อตัวดาวฤกษ์ พวกเขาเรียกกระบวนการนี้ว่า“ การล่มสลายโดยตรง”
“ เริ่มต้นด้วย“ เมฆลำดับแรกของไฮโดรเจนและฮีเลียมซึ่งถูกกลืนหายไปในทะเลของรังสีอุลตร้าไวโอเลต” Bromm กล่าว “ คุณกระทืบเมฆนี้ในสนามโน้มถ่วงของรัศมีแห่งสสารมืด โดยปกติเมฆจะสามารถเย็นตัวลงและแตกเป็นส่วนของดาวได้ อย่างไรก็ตามโฟตอนอัลตราไวโอเลตทำให้ก๊าซร้อนดังนั้นจึงยับยั้งการก่อตัวของดาว สิ่งเหล่านี้เป็นเงื่อนไขที่ต้องการและใกล้กับปาฏิหาริย์: ยุบโดยไม่มีการแยกส่วน เมื่อก๊าซมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ในที่สุดคุณก็มีเงื่อนไขสำหรับหลุมดำขนาดใหญ่”
ชุดของเงื่อนไขจักรวาลนี้ดูเหมือนจะมีอยู่ในเอกภพยุคแรก ๆ เท่านั้นและกระบวนการนี้ไม่ได้เกิดขึ้นในกาแลคซีในปัจจุบัน
เพื่อทดสอบทฤษฎีของพวกเขา Bromm, Loeb และเพื่อนร่วมงานของพวกเขาแอรอนสมิ ธ เริ่มศึกษากาแลคซีที่ชื่อว่า CR7 ซึ่งระบุโดยการสำรวจกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลเรียกว่า COSMOS ว่าอยู่ห่างน้อยกว่า 1 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง
David Sobral แห่งมหาวิทยาลัยลิสบอนได้ทำการสำรวจติดตาม CR7 ด้วยกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินที่ใหญ่ที่สุดในโลกบางแห่งรวมถึง Keck และ VLT สิ่งเหล่านี้เปิดเผยคุณสมบัติที่ผิดปกติบางอย่างในลายเซ็นไฟที่มาจาก CR7 โดยเฉพาะสายไฮโดรเจนของ Lyman-alpha นั้นสว่างกว่าที่คาดไว้หลายเท่า สเปคตรัมยังแสดงให้เห็นถึงเส้นฮีเลียมที่สว่างผิดปกติ
“ อะไรก็ตามที่ทำให้แหล่งนี้ร้อนมาก - ร้อนพอที่จะทำให้เกิดไอออนฮีเลียมได้” สมิ ธ กล่าวประมาณ 100,000 องศาเซลเซียส
สิ่งเหล่านี้และคุณสมบัติผิดปกติอื่น ๆ ในสเปกตรัมหมายความว่าอาจเป็นกลุ่มของดาวฤกษ์ยุคดั้งเดิมหรือหลุมดำมวลมหาศาลที่น่าจะเกิดขึ้นจากการยุบตัวโดยตรง
สมิ ธ ใช้การจำลองสถานการณ์ทั้งสองและในขณะที่สถานการณ์กลุ่มดาว“ ล้มเหลวอย่างน่าทึ่ง” สมิ ธ กล่าวแบบจำลองหลุมดำยุบโดยตรงทำงานได้ดี
นอกจากนี้เมื่อต้นปีที่ผ่านมานักวิจัยใช้ข้อมูลรวมจากหอดูดาวจันทราเอ็กซ์เรย์กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์อวกาศสปิตเซอร์เพื่อระบุเมล็ดพันธุ์หลุมดำที่เป็นไปได้เหล่านี้ พวกเขาพบวัตถุสองชิ้นซึ่งทั้งคู่ตรงกับข้อมูลเชิงทฤษฎีในข้อมูลอินฟราเรด (อ่านบทความของพวกเขาที่นี่)
ดูเหมือนว่านักดาราศาสตร์“ เข้าหาโมเดลนี้” สมิ ธ กล่าวเพื่อแก้ปัญหาเมล็ดควาซาร์และปริศนาหลุมดำในช่วงแรก
คอยติดตาม.
งานของ Bromm, Loeb และ Smith ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวารสารรายเดือนของสมาคมดาราศาสตร์
แหล่งที่มา:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, ข่าวประชาสัมพันธ์สำหรับการตรวจจับหลุมดำยุบที่นาซ่าโดยตรงเมื่อต้นปีนี้
