Erken evrendeki büyük kara deliklerin doğuşu…

Evrendeki ilk büyük kara deliklerin etrafından salınan ışık o kadar yoğundur ki, tüm teleskoplara ulaşabilir. En uzak kara deliklerden (ya da quasarlardan) gelen ışık inanılmaz bir şekilde, 13 milyar ışık yılını aşkın bir süredir seyahat ediyor. Ancak, bu canavar kara deliklerin nasıl oluştuğunu bilmiyoruz.
Rönesans Simülasyonu 30.000 ışık yılı uzaklığındaki bölgeye, çevresindeki gazı ısıtırken radyasyon (beyaz) ve metaller (yeşil) üreten bir dizi genç galaksiye odaklandı. Bu ısıtılmış bölgenin hemen dışındaki karanlık madde halo, her biri güneşimizin kütlesinin 1000 katından fazla olan üç süper kütleli yıldız (iç içe) oluşturur ve milyarlarca yıl boyunca hızlı bir şekilde büyük kara deliklere ve sonunda da büyük kara deliklere çökecek.
Georgia Teknoloji Enstitüsü, Dublin Şehir Üniversitesi, Michigan Eyalet Üniversitesi, San Diego’daki Kaliforniya Üniversitesi, San Diego Süper Bilgisayar Merkezi ve IBM’den araştırmacılar tarafından yürütülen yeni araştırmalar, bu kozmik bilmecenin çözülmesi için yeni ve son derece umut verici bir yol sunuyor. Ekip, galaksilerin son derece hızlı toplandıklarında – ve bazen de şiddetli olarak – çok büyük kara deliklerin oluşumuna yol açabileceğini gösterdi. Bu nadir galaksilerde normal yıldız oluşumu bozulur ve kara delik oluşumu devreye girer.

Yeni çalışma, hızla büyüyen yoğun yıldızsız bölgelerde büyük kara deliklerin oluştuğunu, büyük kara delik oluşumunun yakındaki galaksilerin güçlü radyasyonu tarafından bombalanan bölgelerle sınırlı olduğu inancını altüst etti. 23 Ocak’ta Nature dergisinde bildirilen ve Ulusal Bilim Vakfı, Avrupa Birliği ve NASA’dan fon alarak desteklenen çalışmanın sonuçları , aynı zamanda büyük kara deliklerin evrende önceden düşünülenden çok daha yaygın olduğunu ortaya koyuyor.

Evrenin doğuşunda meydana gelen büyük kara deliklerin nerede ortaya çıktığını belirlemek için anahtar kriterler, günümüz galaksilerinin öncüsü olan galaktik gaz bulutlarının hızlı bir şekilde büyümesiyle ilgilidir; keşfedilen senaryo, John Tech’in Georgia Tech’teki Relativistic Astrophysics Merkezi’nde doçent ve makalenin ilgili yazarı olduğunu söyledi. Karanlık madde, tüm galaksiler için yerçekimi tutkalı olan halelere dönüşür. Bu halelerin erken hızla büyümesi, bölgeye akan gaz halindeki maddeler için kara deliklerle rekabet eden yıldızların oluşumunu engelledi.

Wise, “Bu çalışmada, özellikle karanlık madde halelerinde büyük kara deliklerin oluşumunu başlatan tamamen yeni bir mekanizma ortaya çıkardık.” Dedi. “Sadece radyasyon düşünmek yerine, halelerin ne kadar hızlı büyüdüğüne bakmamız gerekiyor. Onu anlamak için bu kadar fiziğe ihtiyacımız yok – karanlık maddenin nasıl dağıldığını ve yerçekiminin bunu nasıl etkileyeceğini. Maddenin yoğun bir yakınsaması ile nadir bir bölgede bulunmayı gerektirir. ”

Araştırma ekibi bu kara delik oluşum sahalarını simülasyonda bulduğunda, ilk başta güdüklenmiş, John Regan, Dublin Şehir Üniversitesi Astrofizik ve Görelilik Merkezi’nde araştırma görevlisi olduğunu söyledi. Daha önce kabul edilen paradigma, büyük kara deliklerin ancak yakındaki yüksek radyasyona maruz kaldığında oluşabileceği idi.

“Daha önceki teoriler, bunun sadece siteler yüksek seviyede yıldız oluşumu öldürücü radyasyona maruz kalması durumunda gerçekleşmesi gerektiğini öne sürdü” dedi. “Daha derinlemesine giderken, bu sitelerin son derece hızlı bir büyüme dönemi geçirdiğini gördük. Anahtar buydu. Hızlı meclisin şiddetli ve çalkantılı doğası, galaksinin doğuşu sırasında galaksinin temellerini bir araya getiren şiddet normal yıldızı engelledi oluşumu ve kara delik oluşumu için mükemmel koşullara yol açtı. Bu araştırma önceki paradigmayı değiştiriyor ve yepyeni bir araştırma alanı açıyor. ”

Daha önceki teori, UC San Diego’daki San Diego Süper Bilgisayar Merkezi’nin direktörü Michael Norman ve eserin yazarlarından Michael Norman, yakınlardaki bir galaksiden gelen yoğun ultraviyole radyasyona dayandığını söyledi. “UV radyasyonu hala bir faktör olsa da, çalışmalarımız en azından simülasyonlarımızda baskın bir faktör olmadığını gösterdi” dedi.

Araştırma, bilim adamlarının evrenin ilk yıllarında nasıl geliştiğini anlamalarına yardımcı olmak için 2011 ve 2014 arasında Blue Waters süper bilgisayarında oluşturulan 70 terabaytlık bir veri kümesi olan Rönesans Simülasyon paketine dayanıyordu. Muazzam kara deliklerin gelişmesi muhtemel bölgeler hakkında daha fazla bilgi edinmek için, araştırmacılar simülasyon verilerini incelediler ve kütleleri göz önünde bulundurarak yıldızları oluşturması gereken ancak yalnızca yoğun bir gaz bulutu içeren on spesifik karanlık madde halesi buldular. Stampede2 süper bilgisayarını kullanarak, büyük patlamadan 270 milyon yıl sonra içlerinde neler olup bittiğini anlamak için çok daha yüksek çözünürlükte olmak üzere, bu haloların ikisini yeniden simüle ettiler.

Wise, “Sadece evrenin aşırı yoğun bölgelerinde, bu kara deliklerin oluştuğunu gördük.” Dedi. “Karanlık madde yerçekiminin çoğunu yaratır ve sonra gaz, yıldızları ya da büyük bir kara delik oluşturabileceği yerçekimi potansiyeline düşer.”

Rönesans Simülasyonları, ilk yıldızların ve galaksilerin oluşumuna yol açan, hidrojen ve helyum ve soğuk karanlık maddeden oluşan bozulmamış gazın yerçekimi tertibatının en erken aşamalarının en kapsamlı simülasyonlarıdır. Yoğun kümeleri oluşturan yıldızları veya kara delikleri yakınlaştırmak için adaptif mesh iyileştirme olarak bilinen bir teknik kullanırlar. Ek olarak, erken evrenin yeterince büyük bir bölgesini kapsıyor ve burada olduğu gibi nadir nesnelerle ilgileniyorsa, binlerce nesneyi oluşturuyor. Norman, “Yüksek çözünürlük, zengin fizik ve büyük çöküş haleleri örneği bu sonucu elde etmek için gerekliydi” dedi.

İki aday bölge için yapılan simülasyonun iyileştirilmiş çözünürlüğü, bilim adamlarının türbülans ve kara delik öncüleri yoğunlaşmaya ve dönmeye başladığında gaz ve madde yığınlarının akışını görmelerini sağlamıştır. Büyüme hızları çarpıcıydı.

Wise, “Gökbilimciler 800 milyon yılda milyarlarca güneş kütlesine ulaşan süper kara delikler gözlemliyorlar” dedi. “Bunu yapmak, o bölgede yoğun bir kitlesel yakınlaşma gerektiriyordu. Gökadaların çok erken dönemlerde oluştuğu bölgelerde beklenir.”

Araştırmanın bir diğer yönü, kara delikler doğuran halelerin daha önce inanıldığından daha yaygın olabileceğidir.

Michigan State Üniversitesi’nden bir profesör olan Brian O’Shea, “Bu çalışmanın heyecan verici bir bileşeni, nadir görülen olsa da, bu tür halelerin yeterince yaygın olabileceğini keşfetmektir.” Dedi. “Bu senaryonun, hem evrenin başında hem de günümüzdeki galaksilerde gözlenen en büyük kara deliklerin kaynağı olacak kadar olacağını tahmin ediyoruz.”

Bu simülasyonlarla gelecekteki çalışmalar, bu büyük kara delik oluşum galaksilerinin yaşam döngüsüne bakacak, zaman içindeki ilk büyük kara deliklerin oluşumunu, büyümesini ve gelişimini çalışacaktır. “Bir sonraki hedefimiz bu egzotik nesnelerin daha da gelişimini araştırmak. Bugün bu kara delikler nerede? Yerel evrende veya yerçekimi dalgaları ile onların kanıtlarını tespit edebilir miyiz?” Diye sordu Regan.

Bu yeni cevaplar için araştırma ekibi – ve diğerleri – simülasyonlara geri dönebilir.

Norman, “Rönesans Simülasyonları, halihazırda hesaplanan verileri kullanarak diğer keşiflerin yapılabilmesi için yeterince zengin,” dedi. “Bu nedenle SDSC’de, başkalarının kendi sorularını takip edebilecekleri Rönesans Simülasyon Laboratuvarı adında bir kamu arşivi oluşturduk.”