Илустрација раног Универзума. Кредитна слика: НАСА. Кликните за увећање.
Све је почело давно, док је свемир био врло млад. Најстарије масивне звезде узгајивача лепршале су у младости - предење и уживање међу богатим зеленим травама девице материје. Како је њихово време одмицало, нуклеарни мотори су избацивали експанзивне токове врућег водоника и хелијумовог гаса - обогаћујући међузвездне медије. Током ове фазе, супермасивни звездасти кластери формирани су у малим џеповима у близини матичних галактичких језгара - сваки грозд плива у малим пределима првобитне мини-хало материје.
Завршавајући свој циклус, најраније звезде узгајивача експлодирале су, стварајући тешке атоме. Али пре него што се у Универзуму нагомилало превише тешке материје, формирале су се најраније црне рупе, брзо расле међусобном асимилацијом и акумулирале довољно гравитационог утицаја да увуку „Златоконске“ гасове прецизне температуре и састав у велике широке дискове. Ова суперкритична фаза раста брзо је сазрела најраније масивне црне рупе (МБХ) до статуса супермасивне црне рупе (СМБХ). Од тога су најстарији квазари пребивали у стопљеним мини-халоима бројних протогалаксија.
Ова слика настајања раног квазара настала је из недавног рада (објављеног 2. јуна 2005.) под називом „Брзи раст високих црних рупа“, који су написали козмолози из Цамбридгеа, Мартин Ј. Реес и Марта Волонтери. Та студија третира могућност да се кратак прозор брзог формирања СМБХ отвори после времена универзалне транспарентности, али пре него што се гасови у међузвездном медију потпуно ре-јонизирају путем звјездане радијације и засијају суперновима тешким металима. Модел Реес-Волонтери покушава објаснити чињенице које произлазе из података Слоан Дигитал Ски Сурвеи (СДСС). Већ милијарду година након Великог праска, већ су се формирали многи веома блистави квазари. Свака са СМБХ има масе веће од милијарду сунца. Оне су настале из „семенских црних рупа“ - гравитационих калемова заосталих након најранијег циклуса урушавања супернова међу првим масивним галактичким кластерима. До милијарде година након Великог праска, све је било готово. Како се толика маса може тако брзо кондензовати у тако мале просторе простора?
Према Волонтарију и Реесу, „да би се узгајало такво семе до милијарду соларних маса потребна је скоро непрекидна акумулација гаса ...“ Рад на тако високој стопи акрекције је чињеница да се радијација из материје која пада у црну рупу обично надокнађује брзо “ добијање на тежини". Већина модела раста СМБХ показује да се око 30% масе која пада према интермедијарној (масивној - не супермасиви) црној рупи претвара у зрачење. Ефекат овога је двострук: Материја која би иначе нахранила МБХ губи се на радијацији, а спољни притисак зрачења гуши маршу додатне материје према унутра како би нахранио брзи раст.
Кључ за разумевање брзог формирања СМБХ лежи у могућности да дискови ране акрекције око МБХ-а нису били тако оптички густи као што су данас - већ „масни“ с слабо расподељеном материјом. У таквим условима, зрачење има шири средњи слободни пут и може побјећи даље од дискова без ометања кретања материје према унутра. Гориво које покреће читав процес раста СМБХ испоручује се богато у хоризонт догађаја црне рупе. У међувремену, врста материје која је била присутна у најранијој епохи била је углавном монатомски водоник и хелијум - а не врста акреционих дискова богатих тешким металима каснијег доба. Све ово сугерише да су рани МБХ одрастали у журби, што је на крају представљало многе потпуно зреле квазаре уочене у СДСС скупу података. Такви рани МБХ-ови морају имати стопе конверзије масе-енергије више типичне за потпуно зреле СМБХ од данашњих МБХ.
Волонтари и Реес кажу да су ранији истражитељи показали да потпуно развијени „квазари имају ефикасност конверзије масе-енергије од приближно 10% ...“ Међутим, пар упозорава да та вредност конверзије масе-енергије произилази из студија квазара из каснијег периода у Универсал ширење и да се „ништа не зна о радијалној ефикасности прегалактичких квазара у раном Универзуму“. Из тог разлога „слика коју имамо о Универзуму ниског црвеног померања можда се неће применити у ранијим временима“. Јасно је да је рани Универзум био гушће набијен материјом, да је материја била на вишој температури, а постојао је већи однос не метала и метала. Сви ови фактори кажу да је готово свачија најбоља претпоставка у погледу ефикасности конверзије масе-енергије раних МБХ-ова. Будући да сада морамо објаснити зашто толико СМБХ постоји међу раним квазарима, има смисла да Волонтари и Реес користе оно што знају о данашњим прикупљањем дискова као средство да објасне како су се ови дискови можда разликовали у прошлости.
И управо су најранија времена - пре него што је зрачење из бројних звезда ре-јонизирало гасове унутар медвјезданих медија - нудило услове за брзо формирање СМБХ. Такви услови су можда трајали мање од 100 милиона година и захтевали адекватан баланс у температури, густини, распореду и саставу материје у Универзуму.
Да бисмо добили потпуну слику (како је то приказано на папиру), започињемо с идејом да је рани свемир био насељен безбројним мини-ореолима који су се састојали од тамне и барионске материје са високо масивним, али изузетно густим звездама у њиховој средини. Због густине ових гроздова - и масе звезда које их садрже - супернове су се брзо развиле како би родиле бројне „семенске црне рупе“. Ове семенске БХ спојиле су се у масне црне рупе. У међувремену, гравитационе силе и стварни покрети брзо су спојили различите мини-халоге. На овај начин су створени све масивнији ореоли способни да хране МБХ.
У раном Универзуму, материја која окружује МБХ имала је облик огромних метала сиромашних водоника и хелијума који су у просеку имали око 8000 степени Келвина. На тако високим температурама атоми остају јонизовани. Због јонизације, било је мало електрона повезаних са атомима који би могли деловати као замке фотона. Ефекти притиска радијације смањивали су се до тачке када је материја лакше падала у хоризонт догађаја црних рупа. У међувремену, слободни електрони сами распршују светлост. Нека од те светлости заправо се поново зрачи према насипном диску, а други извор масе - у облику енергије - напаја систем. Коначно, недостатак тешких метала - као што су кисеоник, угљеник и азот - значи да монотомски атоми остају врући. Како температуре падају испод 4.000 степени К, атоми деионизирају и поново постају под притиском зрачења смањујући проток свеже материје која пада у хоризонт догађаја БиХ. Сва та чисто физичка својства тежила су смањењу односа масене и енергетске ефикасности - омогућујући МБХ-има да брзо добивају на тежини.
У међувремену, док су се мини халои спојили, врућа баријенска материја кондензовала се у огромне "дебеле" дискове - не танке колутове који се данас виде око СМБХ. До тога је дошло јер је сама хало материја у потпуности окружила брзо растуће МБХ. Ова сферна дистрибуција материје пружала је константан извор свеже, топле, девичке материје за храњење диска из разних углова. Дебели дискови значили су веће количине материје ниже оптичке густине. Још једном, материја је успела да избегне да „једре на соларни погон“ напољу далеко од надстојеће маве МБХ и коефицијенти конверзије масе-енергије су опали.
Оба фактора - масни дискови и јонизовани атоми мале масе - говоре да су током златног доба раног зеленог Универзума МБХ-и брзо расли. У року од милијарду година Великог праска, настанили су се у релативно мирној зрелости, ефикасно претварајући материју у светлост и бацајући је светлошћу кроз огромне домете времена и простора у потенцијално растући Универзум.
Написао Јефф Барбоур
