Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vznik supermasivních černých děr, jako je ta v centru Mléčné dráhy, trvá dlouho. I v případě hmotných a krátkověkých hvězd o hmotnosti 50 Sluncí zabere jejich vyhoření cca miliardu let a výsledkem pak bude černá díra o hmotnosti asi 10 Sluncí. Černá díra Sagittarius A* v centru Mléčné dráhy má přitom hmotnost asi 10 milionů Sluncí. A v jiných galaxiích najdeme centrální superhmotné černé díry s hmotnostmi řádově v miliardách Sluncí. Musely růst hodně dlouho, v důsledku splývání galaxií (a tedy splývání více velmi hmotných černých děr).
Problém je ovšem v tom, že velmi hmotné černé díry nacházíme už v raném vesmíru – kam dohlédne třeba Webbův dalekohled (jak se zde psalo již mnohokrát), třeba půl miliardy let po velkém třesku.
Podle nové studie (tisková zpráva Kalifornská univerzita v Los Angeles): „Temná hmota bránila vodíku vychladnout dostatečně dlouho na to, aby jej gravitace zkondenzovala do mračen dostatečně velkých a hustých na to, aby se z nich místo hvězd staly černé díry.“ Těžko se v této formulaci zorientovat, pojďme tedy dále.
Převládající teorie soudí, že se velký oblak plynu mohl zhroutit a vytvořit supermasivní černou díru přímo, a obejít tak dlouhou historii hoření hvězd, akrece a slučování. (Poznámka: teď zase zpět k původní tiskové zprávě.) Má to však háček: Gravitace skutečně stáhne velké mračno plynu k sobě, ale ne do jednoho velkého mračna. Místo toho shromažďuje části plynu do malých halo, které se vznášejí blízko sebe, ale nevytvoří černou díru. Může za to příliš rychlé ochlazení oblaku plynu. Dokud je plyn horký, může jeho tlak působit proti gravitaci. Pokud se však plyn ochladí, tlak se sníží a gravitace může převládnout v mnoha malých oblastech, které se zhroutí do hustých objektů dříve, než gravitace stihne vtáhnout celý oblak do jediné černé díry.
Podle nové studie to vše zase souvisí s molekulárním vodíkem, respektive s tím, zda v mračnech byl spíš molekulární, nebo atomární. „To, jak rychle se plyn ochladí, má hodně společného s množstvím molekulárního vodíku,“ uvádí hlavní autor studie Yifan Lu z UCLA. „Atomy vodíku spojené v molekule rozptylují energii, když se setkají s volným atomem vodíku. Molekuly vodíku se stávají chladicími činiteli, protože absorbují tepelnou energii a vyzařují ji pryč. Vodíková mračna v raném vesmíru měla příliš mnoho molekulárního vodíku a plyn se rychle ochlazoval a místo velkých mračen tvořil malá hala.“ (Poznámka: zase, srozumitelností to nevyniká.)
Podle nové studie dodatečné záření může plyn ohřát a disociovat molekuly vodíku, čímž se změní způsob ochlazování plynu. „Pokud přidáte záření v určitém energetickém rozsahu, zničí molekulární vodík a vytvoří podmínky, které zabrání fragmentaci velkých mračen,“ tvrdí Y. Lu. Jenže – kde se toto záření vzalo? Podle studie „temná hmota by mohla obsahovat nestabilní částice, které se mohou rozpadat na fotony. Zahrnutí takové temné hmoty do simulací poskytlo záření potřebné k tomu, aby plyn zůstal ve velkém oblaku, zatímco se hroutí do černé díry“. „Temná hmota by mohla být tvořena částicemi, které se pomalu rozpadají, nebo by mohla být tvořena více druhy částic: některé stabilní a některé se v raném vesmíru rychle rozpadaly. V obou případech by produktem rozpadu mohlo být záření v podobě fotonů, které rozbíjejí molekulární vodík a zabraňují příliš rychlému ochlazování vodíkových mračen. Dokonce i velmi mírný rozpad temné hmoty by poskytl dostatek záření, které zabránilo ochlazení a vytvořilo velká mračna a nakonec supermasivní černé díry.“
Což lze podle studie chápat i jako důkaz (poznámka: ehm, „důkaz“) alespoň nějakého typu temné hmoty.
Yifan Lu et al, Direct Collapse Supermassive Black Holes from Relic Particle Decay, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.091001. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.03909
Zdroj: University of California Los Angeles / Phys.org
Proč se vůbec zabývat obyčejným vodíkem? V raném vesmíru bylo temné hmoty mnohem více, a navíc – protože nepodléhá elektromagnetické interakci – při stlačování se neohřívá a nic jí nebrání kolabovat přímo do černé díry. O to fascinujícíjší je otázka, jak vlastně vypadá pád temné hmoty do černé díry. Na rozdíl od běžné hmoty temná hmota nebude zpomalována akrecí, takže její pád bude mnohem rychlejší a přímější. Avšak pokud není částice temné hmoty přesně na kolizním kurzu s černou dírou, pravděpodobně do ní nikdy nespadne – nic ji totiž nedokáže zpomalit. Namísto toho bude donekonečna obíhat v eliptické dráze kolem černé díry.