Ilustrasi Alam Semesta awal. Kredit gambar: NASA. Klik untuk membesarkan.
Semuanya bermula lama dahulu ketika alam semesta masih sangat muda. Bintang penternak besar terawal bermain di usia muda - berputar dan berlubang di antara rumput hijau yang kaya dengan dara. Ketika masa yang diperuntukkan habis, mesin nuklear mengeluarkan banyak aliran hidrogen panas dan gas helium - memperkaya media antarbintang. Semasa fasa ini, gugus bintang supermasif terbentuk di dalam poket kecil di dekat teras galaksi yang baru lahir - masing-masing sekumpulan berenang di kawasan kecil bahan mini-halo primordial.
Selesai kitaran mereka, bintang pembiakan terawal meletup, memancarkan atom berat. Tetapi sebelum terlalu banyak bahan berat terkumpul di Alam Semesta, lubang hitam terawal terbentuk, tumbuh dengan cepat melalui asimilasi bersama, dan mengumpulkan pengaruh graviti yang cukup untuk menarik gas "Goldilocks" suhu dan komposisi yang tepat ke dalam disk yang besar. Fasa pertumbuhan supercritical ini matang lubang hitam besar (MBH) terawal dengan cepat hingga status lubang hitam supermasif (SMBH). Daripada jumlah ini, kuarsa yang paling awal tinggal di dalam halo mini sekering dari banyak protogalaxies.
Gambaran pembentukan quasar awal ini muncul dari sebuah makalah baru-baru ini (diterbitkan pada 2 Jun 2005) yang berjudul "Pertumbuhan Cepat Lubang Hitam Redshift Tinggi" yang ditulis oleh ahli kosmologi Cambridge UK Martin J. Rees dan Marta Volonteri. Kajian itu memperlihatkan kemungkinan bahawa tetingkap singkat pembentukan SMBH yang cepat dibuka selepas masa ketelusan sejagat tetapi sebelum gas di media antarbintang sepenuhnya terionisasi melalui sinaran bintang dan disemai dengan logam berat oleh supernova. Model Rees-Volonteri cuba menjelaskan fakta yang keluar dari dataset Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Menjelang 1 miliar tahun selepas Big Bang, banyak quasar yang sangat bersinar telah terbentuk. Masing-masing dengan SMBH mempunyai massa melebihi 1 bilion matahari. Ini timbul dari "lubang hitam biji" - cinder gravitasi yang ditinggalkan selepas kitaran supernova yang paling awal runtuh di antara kelompok galaksi besar pertama. Menjelang satu bilion tahun selepas Big Bang, semuanya sudah berakhir. Bagaimana jisim begitu banyak dapat mengembun dengan cepat ke kawasan-kawasan kecil seperti itu?
Menurut Volontari dan Rees, "Untuk menanam benih seperti itu hingga 1 miliar jisim suria memerlukan penambahan gas yang hampir berterusan ..." Bekerja melawan kadar penambahan yang tinggi, adalah kenyataan bahawa radiasi dari bahan jatuh ke dalam lubang hitam biasanya mengimbangi cepat " kenaikan berat badan ”. Sebilangan besar model pertumbuhan SMBH menunjukkan bahawa kira-kira 30% jisim jatuh ke lubang hitam perantaraan (besar - bukan supermasif) diubah menjadi radiasi. Kesannya adalah dua kali ganda: Perkara yang sebaliknya memberi makan MBH hilang akibat radiasi, dan tekanan radiasi ke luar menyekat kenaikan bahan tambahan ke dalam untuk memberi makan pertumbuhan pesat.
Kunci untuk memahami pembentukan SMBH yang cepat terletak pada kemungkinan bahawa cakera pertambahan awal di sekitar MBH tidak padat secara optik seperti sekarang ini - tetapi "gemuk" dengan bahan yang diedarkan dengan tekun. Dalam keadaan seperti itu, radiasi mempunyai jalan bebas rata-rata yang lebih luas dan dapat melarikan diri dari cakera tanpa menghalang pergerakan jirim ke dalam. Bahan bakar yang mendorong keseluruhan proses pertumbuhan SMBH diserahkan banyak ke cakerawala peristiwa lubang hitam. Sementara itu, jenis bahan yang terdapat pada zaman terawal adalah hidrogen dan helium monatomik - bukan jenis cakera yang kaya dengan logam berat pada zaman kemudian. Semua ini menunjukkan bahawa MBH awal dibesarkan dengan tergesa-gesa, akhirnya merangkumi banyak kuarsa matang yang dilihat dalam set data SDSS. MBH awal seperti itu semestinya mempunyai nisbah penukaran tenaga massa yang lebih biasa daripada SMBH yang matang sepenuhnya daripada MBH sekarang.
Volontari dan Rees mengatakan bahawa penyiasat terdahulu telah menunjukkan bahawa "quasar yang dikembangkan sepenuhnya mempunyai kecekapan penukaran tenaga massa kira-kira 10% ..." Pasangan ini memberi amaran bahawa nilai penukaran tenaga massa ini keluar dari kajian mengenai quasar dari masa kemudian di Universal pengembangan dan bahawa "tidak ada yang diketahui mengenai kecekapan radiasi kuasal pregalaks di awal Alam Semesta." Atas sebab ini "gambar yang kita miliki tentang pergeseran merah rendah Universe mungkin tidak berlaku pada masa-masa sebelumnya." Jelas Alam Semesta awal lebih padat dengan jirim, jirim berada pada suhu yang lebih tinggi, dan terdapat nisbah bukan logam ke logam yang lebih tinggi. Semua faktor ini mengatakan bahawa ini adalah sangkaan hampir semua orang mengenai kecekapan penukaran tenaga massa MBH awal. Oleh kerana kita sekarang mesti menjelaskan mengapa begitu banyak SMBH wujud di antara kuarsa awal, masuk akal bahawa Volontari dan Rees menggunakan apa yang mereka tahu mengenai cakera penambahan hari ini sebagai kaedah untuk menjelaskan bagaimana cakera mereka mungkin berbeza pada masa lalu.
Dan ini adalah masa paling awal - sebelum sinaran dari banyak bintang mengionisasi semula gas dalam media antara bintang - yang menawarkan keadaan yang matang untuk pembentukan SMBH yang cepat. Keadaan seperti itu mungkin berlangsung kurang dari 100 juta tahun dan memerlukan keseimbangan mahir dalam suhu, ketumpatan, pengedaran, dan komposisi bahan di Alam Semesta.
Untuk mendapatkan gambaran lengkap (seperti yang dicat di kertas), kita mulakan dengan idea bahawa alam semesta awal dihuni oleh halo mini yang tidak terhitung jumlahnya yang terdiri daripada bahan gelap dan baryonik dengan kelompok bintang yang sangat besar tetapi sangat padat di tengahnya. Kerana ketumpatan kelompok ini - dan besarnya bintang-bintang yang terdiri dari mereka - supernova cepat berkembang untuk menghasilkan banyak "lubang hitam biji". BH benih ini digabungkan menjadi lubang hitam besar. Sementara itu, gaya graviti dan gerakan nyata dengan cepat menyatukan pelbagai halo mini. Hal ini mencipta halo yang lebih besar yang mampu memberi makan MBH.
Pada awal Alam Semesta, perkara di sekitar MBH mengambil bentuk sferoid hidrogen dan helium miskin logam besar rata-rata sekitar 8,000 darjah Kelvin dalam suhu. Pada suhu tinggi, atom tetap terion. Kerana pengionan, terdapat sedikit elektron yang berkaitan dengan atom yang bertindak sebagai perangkap foton. Kesan tekanan radiasi berkurang sehingga titik jatuh lebih mudah ke cakrawala peristiwa lubang hitam. Sementara itu elektron bebas sendiri menyebarkan cahaya. Sebilangan cahaya itu benar-benar memancar kembali ke cakera penambahan dan sumber jisim lain - dalam bentuk tenaga - memberi makan sistem. Akhirnya kekurangan logam berat - seperti oksigen, karbon, dan nitrogen - bermaksud atom monotom tetap panas. Oleh kerana suhu jatuh di bawah 4,000 darjah K, atom-atom akan terionisasi dan sekali lagi mengalami tekanan radiasi yang mengurangkan aliran bahan segar jatuh ke cakrawala peristiwa BH. Semua sifat fizikal murni ini cenderung menurunkan nisbah kecekapan tenaga massa - membolehkan MBH menambah berat badan dengan cepat.
Sementara halo mini digabungkan, bahan baryonic panas memekat ke cakera besar "tebal" - bukan cincin nipis yang kelihatan di sekitar SMBH hari ini. Ini berlaku kerana bahan halo itu sendiri mengelilingi MBH yang berkembang pesat. Taburan bahan sferoid ini memberikan sumber bahan segar, panas dan dara yang berterusan untuk memberi makan cakera penambahan dari pelbagai sudut. Cakera tebal bermaksud jumlah jirim yang lebih besar pada ketumpatan optik yang lebih rendah. Sekali lagi, perkara berjaya mengelakkan "solar-sailed" keluar jauh dari kehebatan MBH yang semakin meningkat dan nisbah penukaran tenaga massa jatuh.
Kedua-dua faktor tersebut - cakera lemak dan atom berion yang rendah, mengatakan bahawa semasa zaman keemasan Alam Semesta hijau awal, MBH tumbuh dengan cepat. Dalam satu miliar tahun dari Big Bang, mereka telah memasuki kedewasaan yang relatif tenang dengan berkesan mengubah materi menjadi cahaya dan menyebarkan cahaya ke sebilangan besar masa dan ruang menjadi Alam Semesta yang berpotensi terus berkembang.
Ditulis oleh Jeff Barbour
