Илюстрация на ранната Вселена. Кредит за изображение: НАСА. Щракнете за уголемяване
Всичко започна отдавна, докато Вселената беше много млада. Най-ранните масивни звезди на развъдчици се разпалваха в младостта си - въртяха се и галят сред богати зелени треви от девствена материя. Докато времето им изтече, ядрените двигатели кипят от огромни потоци от горещ водород и хелиев газ - обогатявайки междузвездната среда. По време на тази фаза се образуват свръхмасивни звездни клъстери в малки джобове в близост до зараждащите се галактически ядра - всеки клъстер плува в малки райони на изначална мини-халогенна материя.
Завършвайки своя цикъл, най-ранните развъдни звезди избухнаха, изхвърляйки тежки атоми. Но преди да се натрупа твърде много тежка материя във Вселената, най-ранните черни дупки се образуваха, бързо нарастваха чрез взаимна асимилация и натрупваха достатъчно гравитационно влияние, за да изтеглят „Златокрилите“ газове с точни температури и състав в големи широки дискове. Тази свръхкритична фаза на растеж съзря най-ранните масивни черни дупки (MBHs) бързо до състояние на супермасивна черна дупка (SMBH). От това най-ранните квазари пребивават в слетите мини-ореоли на множество протогалактики.
Тази картина на ранно образуване на квазар се появи от скорошна книга (публикувана на 2 юни 2005 г.), озаглавена „Бърз растеж на черните дупки на червено изместване“, написана от космолозите от Кеймбридж Великобритания Мартин Дж. Рийс и Марта Волонтери. Това проучване третира възможността кратък прозорец за бързо образуване на SMBH след време на универсалната прозрачност, но преди газовете в междузвездната среда да се реионизират напълно чрез звездно излъчване и да бъдат засети с тежки метали от свръхнови. Моделът Рийс-Волонтери се опитва да обясни факти, излезли от данните от Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Към 1 милиард години след Големия взрив вече са се образували много силно сияещи квазари. Всяка от SMBHs има маса над 1 милиард слънца. Те са възникнали от "черни дупки на семената" - гравитационни сажди, останали след най-ранния цикъл на срутване на свръхновите сред първите масивни галактически клъстери. Към един милиард години след Големия взрив всичко беше, но свърши. Как може толкова голяма маса да се кондензира толкова бързо в такива малки области на космоса?
Според Волонтари и Рийс, „За да се отглеждат такива семена до 1 милиард слънчеви маси, се изисква почти непрекъснато натрупване на газ ...” Работейки срещу толкова висока степен на натрупване, е фактът, че радиацията от материя, попадаща в черна дупка, обикновено компенсира бързо “ качване на тегло". Повечето модели на растеж на SMBH показват, че около 30% от масата, падаща към междинна (масивна - не супермасивна) черна дупка, се превръща в радиация. Ефектът от това е двоен: Материята, която в противен случай би подхранила MBH, се губи от радиация и налягането на радиация навън задушава похода на допълнителна материя навътре, за да захрани бързия растеж.
Ключът към разбирането на бързото образуване на SMBH се крие във възможността дисковете за ранно нарастване около MBH да не са толкова оптически плътни, колкото днес - а "мазнини" с слабо разпределена материя. При такива условия радиацията има по-широк среден свободен път и може да избяга отвъд дисковете, без да възпрепятства вътрешното движение на материята. Горивото, задвижващо целия процес на растеж на SMBH, се доставя обилно в хоризонта на събитията на черната дупка. Междувременно, типовата материя, присъстваща в най-ранната епоха, беше главно монотомен водород и хелий, а не видът на дисковете за натрупване, богати на тежки метали от по-късна епоха. Всичко това подсказва, че ранните MBH са израснали набързо, в крайна сметка отчитайки множеството напълно зрели квазари, наблюдавани в SDSS набора от данни. Такива ранни MBH трябва да са имали коефициенти на преобразуване на маса-енергия, по-характерни за напълно зрели SMBH от тези на MBH днес.
Волонтари и Рийс казват, че по-ранните изследователи са показали, че напълно разработените „квазари имат ефективност на преобразуване на маса в енергия приблизително 10% ...“ Двойката обаче предупреждава, че тази стойност на преобразуване на маса в енергия излиза от проучвания на квазари от по-късен период в Universal разширяване и че "нищо не се знае за радиационната ефективност на прегалактичните квазари в ранната Вселена." По тази причина „картината, която имаме на Вселената с ниско червено изместване, може да не се прилага по-рано“. Ясно е, че ранната Вселена е била по-плътно пълна с материя, тази материя е била при по-висока температура и е имало по-високо съотношение на неметалите към металите. Всички тези фактори казват, че почти всички са най-добрите предположения за ефективността на преобразуване на маса в енергия на ранните MBH. Тъй като сега трябва да обясним защо толкова много SMBH съществуват сред ранните квазари, има смисъл Волонтари и Рийс да използват това, което знаят за днешните дискове за натрупване, като средство, за да обяснят как тези дискове може да са били различни в миналото.
И именно най-ранните времена - преди излъчването от многобройни звезди да реионизира газовете в междузвездната среда - дават условия за бързо образуване на SMBH. Такива условия може би са продължили по-малко от 100 милиона години и изискват адекватен баланс на температурата, плътността, разпределението и състава на материята във Вселената.
За да получим пълната картина (както е нарисувана на хартията), започваме с идеята, че ранната Вселена е била населена от безброй мини-ореоли, състоящи се от тъмна и барионна материя с много масивни, но изключително плътни звездни струпвания в тяхната среда. Поради плътността на тези струпвания - и масивността на звездите, които ги съдържат - свръхновите бързо се развиха, за да хвърлят хайвера на много „семенни черни дупки“. Тези семенни БХ се сляха в масивни черни дупки. Междувременно гравитационните сили и реалните движения бързо сближиха различните мини-ореоли. Това създаде все по-масивни ореоли, способни да хранят MBH.
В ранната Вселена материята около MBH е под формата на огромни сфероиди с водород и хелий с бедни на метали средни температури около 8000 градуса. При такива високи температури атомите остават йонизирани. Поради йонизацията имаше малко електрони, свързани с атомите, които да действат като капани на фотоните. Ефектите от радиационното налягане намаляха до точката, в която материята по-лесно падаше в хоризонта на събитията от черни дупки. Междувременно свободните електрони сами разпръскват светлина. Част от тази светлина всъщност се излъчва обратно към диска за натрупване, а друг източник на маса - под формата на енергия - захранва системата. И накрая, недостигът на тежки метали - като кислород, въглерод и азот - означава, че монотомните атоми остават горещи. Тъй като температурите падат под 4000 градуса К, атомите се деионизират и отново стават обект на радиационно налягане, намалявайки потока свежа материя, попадаща в хоризонта на събитията в БиХ. Всички тези чисто физически свойства имат тенденция да изтласкват съотношенията маса-енергийна ефективност - което позволява на MBH бързо да наддават на тегло.
Междувременно, когато мини-ореолите се сляха, гореща барионова материя се кондензира в огромни „дебели“ дискове - не тънките пръстени, които се виждат около SMBH днес. Това се случи, защото самата халогенна материя напълно заобикаля бързо нарастващите MBH. Това сфероидно разпределение на материята осигурява постоянен източник на прясна, гореща, девствена материя, за да захрани диска за натрупване от различни ъгли. Дебелите дискове означаваха по-големи количества материя при по-ниска оптична плътност. За пореден път, материята успя да избегне „слънчево плаване“ навън далеч от настъпващата челюст на MBH и коефициентите на преобразуване на маса в енергия паднаха.
И двата фактора - мастни дискове и йонизирани атоми с ниска маса - казват, че по време на златния век на една ранна зелена Вселена, MBH растат бързо. В рамките на един милиард години от Големия взрив те се бяха настанили в сравнително спокойна зрялост, ефективно превръщайки материята в светлина и хвърляйки тази светлина в огромни обхвати от време и пространство в потенциално непрекъснато разширяваща се Вселена.
Написано от Джеф Барбър
