Wszechświat pełen jest zagadek. W ostatnich latach jedną z najbardziej intrygujących są pierwotne czarne dziury – obiekty, które mogły powstać krótko po Wielkim Wybuchu. Nowe badania sugerują, że ich wpływ na formowanie się pierwszych gwiazd był ogromny, choć... niejednoznaczny. Mogły pomagać albo przeszkadzać, zależnie od ich masy oraz ilości.
Tradycyjnie kojarzymy czarne dziury z gwiazdami, które kończą swoje życie dramatycznym wybuchem supernowej, pozostawiając po sobie obiekt o ekstremalnej gęstości. Pierwotne czarne dziury są zupełnie inną klasą kosmicznych tworów. Powstały z gęstych skupisk materii we wczesnym wszechświecie, około 13,8 miliarda lat temu, zanim jeszcze jakiekolwiek gwiazdy zdążyły zaistnieć. To hipotetyczne obiekty, których masa mogła być przeróżna, bo nie ograniczały ich typowe procesy związane z gwiazdami.
Fizyk Stefano Profumo z University of California wraz ze swoim zespołem, symulował na platformie GIZMO wpływ tych czarnych dziur na pierwotny gaz i pył. Analizował, czy mogły one odgrywać rolę kosmicznych katalizatorów narodzin pierwszych gwiazd – określanych jako gwiazdy populacji III.
Wyniki badania jednoznacznie wskazują, że masa i liczebność pierwotnych czarnych dziur były bardzo ważne dla ich wpływu na pierwsze gwiazdy.
Masywne czarne dziury, o masach od tysiąca do dziesięciu tysięcy mas Słońca, działały jak potężne kotwice grawitacyjne. Ich obecność powodowała przyciąganie otaczającego je gazu i ciemnej materii, tworząc gęste halo, które przyspieszało powstawanie pierwszych struktur gwiazdotwórczych. Takie scenariusze mogą wyjaśniać niezwykle wczesne powstawanie galaktyk, obserwowanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Niektóre z nich pojawiły się już nawet 15 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co dotąd było trudne do uzasadnienia.
Na przeciwnym biegunie są lżejsze czarne dziury – poniżej stu mas Słońca. Gdyby ich liczba była odpowiednia, mogłyby zakłócać narodziny pierwszych gwiazd. Działałyby jak źródła intensywnych sił pływowych, ogrzewając obłoki gazu. Gwiazdy — jak wiadomo — formują się z chłodnych, gęstych chmur materii, więc ich podgrzanie blokowałoby procesy kondensacji, a tym samym narodzin gwiazd. Liczba i masa tych obiektów musiały znajdować się w idealnym punkcie równowagi.
Istnienie pierwotnych czarnych dziur wiąże się ściśle z zagadką ciemnej materii, która stanowi około 85% całej materii wszechświata, pozostaje niewidoczna i jest niemal całkowicie nieuchwytna. Nie wiemy o niej nic, a hipotezy o tym, czym właściwie jest, są zróżnicowane.
Według niektórych teorii pierwotne czarne dziury mogłyby stanowić istotny składnik ciemnej materii lub wręcz całość tej tajemniczej substancji. Jednak Profumo podkreśla, że właściwości takich czarnych dziur nie mogą być dowolne. Zbyt wiele lub zbyt masywne czarne dziury spowodowałyby za szybkie formowanie gwiazd, sprzeczne z obserwacjami. Z kolei zbyt duża liczba drobnych obiektów spowolniłaby cały proces. Dzięki tym symulacjom naukowcy mogą zawęzić pole możliwych scenariuszy dotyczących składu ciemnej materii.
Pierwotne czarne dziury to na razie obiekty czysto hipotetyczne. Brakuje natomiast bezpośrednich dowodów ich istnienia. Możemy je jednak wykryć pośrednio, jedynie analizując skutki ich obecności w najwcześniejszych etapach formowania się Wszechświata. I tu właśnie zaczyna się szansa nauki.
Najlepszą szansą na ich wykrycie są obserwacje z pomocą osławionego JWST. Jeśli okaże się, że galaktyki oraz gwiazdy uformowały się znacznie wcześniej, niż przewidują to aktualnie wykorzystywane modele – na przykład 15 milionów lat po Wielkim Wybuchu – może to wskazywać właśnie na udział pierwotnych czarnych dziur w owym procesie. To właśnie one mogłyby być mechanizmem będącym swego rodzaju katalizatorem, umożliwiając powstanie pierwszych gwiazd i galaktyk znacznie wcześniej. A sądziliśmy dotychczas, że było zupełnie inaczej.
Zespół Profumo zapowiada dalsze badania, które obejmą symulacje jeszcze bardziej realistycznych rozkładów mas pierwotnych czarnych dziur. Zbadany również zostanie ich wpływ na formowanie się całych galaktyk. W grze jest wiedza o tym, jak złożoną rolę odegrały te zagadkowe obiekty w dziejach kosmosu.
Czytaj również: Odkryli niesamowity minerał na asteroidzie Ryugu. Skąd on się tam wziął?!
Pierwotne czarne dziury mogą być brakującym kawałkiem puzzla w naukowej układance dotyczącej formowania się Wszechświata od Wielkiego Wybuchu do stanu, który obserwujemy np. teraz. Bez względu na to, czy owe obiekty pomagały, czy też utrudniały ich powstanie, ich istnienie może być niesamowitym przełomem. Mamy poszlaki, teraz należy znaleźć dowody na to, że istnieją. I jesteśmy bliżej, niż kiedykolwiek potwierdzenia ich istnienia lub... obalenia tej fascynującej hipotezy.
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
