A California Institute of Technology (Caltech) kutatóinak új, számítógépes modellje szerint a korai univerzum szupernagy tömegű fekete lyukai első generációs szupernagy tömegű csillagok összeroskadásakor létrejött kisebb fekete lyukak összeolvadásával kezdhettek el növekedni. Az eredményeket részletező szakcikk a Physical Review Letters c. folyóiratban jelent meg.
Az elméletek szerint a fekete lyukak széles tömegskálán léteznek: ennek egyik végén azok állnak, melyek nagy tömegű csillagok magjának összeroskadása során jönnek létre, míg a másikon pedig azok az úgynevezett szupernagy tömegű fekete lyukak, melyek a galaxisok centrumában helyezkednek el, és tömegük akár a Napénak milliárdszorosát is meghaladhatja.
Nagyon hosszú idő alatt a kisebb fekete lyukak a környező anyag beszippantásával vagy összeolvadással akár nagyon nagy tömegűvé is növekedhetnek, de ez a lassú folyamat nem magyarázhatja azt, hogy ezek a szörnyek már a korai univerzumban, az ősrobbanás után kevesebb mint 1 milliárd évvel is léteztek. Ezt az ellentmondást próbálják feloldani a Caltech kutatói.
A szupernagy tömegű fekete lyukak növekedésének egyes modelljeiben fontos szerep jut a kisebb tömegű, úgynevezett csíra fekete lyukaknak, melyek az univerzum legelső csillagainak pusztulása során jöttek létre. Ezek az objektumok a környezetükben található anyag elnyelésével vagy a hozzájuk hasonló fekete lyukakkal történő összeolvadás következtében növelhetik a tömegüket. A mostani kutatás vezetője, Christian Reisswig (NASA Einstein Postdoctoral Fellow in Astrophysics, Caltech) szerint azonban így egyszerűen nem volt elég idő a már a korai univerzumban is jelen lévő monstrumok kialakulására. Ez csak akkor tűnik lehetségesnek, ha már a szóban forgó fekete lyukak csíráit létrehozó ősi csillagok is kellően nagy tömeggel bírtak.
A korai nagy tömegű fekete lyukak kialakulását Reisswig és munkatársai szuperszámítógépen futtatott modelljükben olyan szupernagy tömegű csillagok pusztulásához kötik, melyek az ősrobbanás után csak nagyon rövid ideig léteztek. Ezen objektumokat - rövid életük alatt - a gravitáció és a belsejükben uralkodó óriási hőmérséklet által szabályozott sugárnyomás egyensúlya stabilizálta.
A fotonok formájában kisugárzott rengeteg energia miatt azonban a csillagok lassan lehűltek, így a gravitáció növekvő túlsúlya miatt centrális sűrűségük egyre nőtt, ami néhány millió év alatt instabilitáshoz és gravitációs összeomláshoz vezetett.
A korábbi vizsgálatok szerint a szupernagy tömegű csillagok kollapszusa gömbszimmetrikusan zajlik - ezt esetleg csak a csillag gyors forgása által okozott lapultság befolyásolhatja -, de a folyamat így is tengelyszimmetrikus marad. A nagyon gyorsan rotáló csillagoknál azonban éppen a forgás miatt felléphetnek olyan kicsiny perturbációk, melyek következtében a tengelyszimmetrikustól eltérő kollapszus léphet fel. Reisswig és munkatársai pedig pont ezeket, az idővel gyorsan növekedő zavarokat vizsgálták, melyek eredményeként az összeomló csillagban nagy sűrűségű csomósodások alakulhatnak ki.
A modell szerint ezek a részek a csillag magja körül keringenek, és idővel a környező anyag összegyűjtésével elegendően nagy sűrűségűvé és hőmérsékletűvé válnak ahhoz, hogy bennük elektron-pozitron párok jöjjenek létre. Ez azonban a nyomás csökkenésével, így az összeomlás folyamatának gyorsulásával jár. Végeredményben két rész alakul ki, melyek végül olyan sűrűvé válnak, hogy mindkettőből egy-egy fekete lyuk jön létre. Ezek pedig a tömegközéppont körül spirálozva a folyamat végén egyetlen nagy tömegű fekete lyukká olvadnak össze. Reisswig szerint eddig még senki sem állt elő olyan modellel, amely szerint egyetlen csillag összeomlásából kettő, a későbbiek során összeolvadó fekete lyuk jönne létre.
Bár Reisswig és kollégáinak vizsgálata numerikus számítógépes modelleken alapul, így tisztán elméleti megközelítésnek tekinthető, egészen konkrét gyakorlati következményei is lehetnek. A két fekete lyuk kialakulása és összeolvadása által okozott, az Einstein-féle általános relativitáselmélet által megjósolt gravitációs hullámokat ugyanis előbb-utóbb észlelni is tudjuk majd. Többek között a Caltech részvételével ilyen vizsgálatokra épült a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) is, de Reisswig szerint valószínűleg csak a jövőbeni űrbeli megfelelői lesznek alkalmasak majd a jelen jóslatot is igazoló mérések elvégzésére.