Süper kütleli kara delikler, doğrudan dev gaz bulutlarından mı çöktü? Manyetik alanlara bağlı olabilir

Yaklaşık yarım yüzyıl önce, gökbilimciler galaksimizin merkezinden (Sagitarrius A*) gelen güçlü radyo kaynağının bir “canavar” kara delik olduğunu fark ettiler. O zamandan beri, süper kütleli kara deliklerin (SMBH’ler) çoğu büyük gökadanın merkezinde bulunduğunu keşfettiler. Bu, bir galaksinin merkezi bölgesinin, galaktik diskindeki tüm yıldızları gölgede bırakacak kadar enerjik olduğu, Aktif galaktik çekirdekler (AGN) veya kuasarlar olarak bilinen şeye yol açar. Tüm bu zaman boyunca, gökbilimciler bu devlerin (galaktik evrimde çok önemli bir rol oynayan) nasıl ortaya çıktıklarını merak ettiler.

Gökbilimciler, SMBH’leri oluşturan tohumların, önce yıldız haline gelmeden çöken dev toz bulutlarından, yani Doğrudan çöken kara deliklerden (DCBH’ler) oluştuğundan şüpheleniyorlar. Bununla birlikte, DCBH’lerin oluşumunda manyetik alanların rolü, önceki çalışmaların hiçbiri tam yığılma dönemlerini simüle edemediğinden belirsizliğini koruyor. Bunu araştırmak için, uluslararası bir gökbilimciler ekibi, DCBH oluşumunu açıklayan ve manyetik alanların yığılma diskleriyle büyüdüğünü ve zaman içinde onları stabilize ettiğini gösteren bir dizi 3B kozmolojik manyeto-hidrodinamik (MHD) simülasyonu çalıştırdı.

Araştırma, Birleşik Arap Emirlikleri Üniversitesi (BAEU) Bilim Koleji’nde fizik bölümünde yardımcı doçent olan Muhammed A. Latif tarafından yönetildi. Ona Şili’deki Universidad de Concepcion’dan doçent Dominik RG Schleicher ve Edinburgh Üniversitesi ve Kraliyet Gözlemevi’nde Teorik Astrofizik bölümünün kişisel başkanı olan Sadegh Khochfar katıldı. Bulgularını açıklayan kağıt, son zamanlarda ön baskı sunucusunda çevrimiçi olarak yayınlandı. arXiv ve şu anda yayınlanmak üzere gözden geçiriliyor Astrofizik Dergisi.

Makalelerinde belirttikleri gibi, DCBH’ler, erken evrende var olan yüksek kütleli kara delik tohumlarıdır (tipik olarak yaklaşık 1 milyon güneş kütlesi). 100 ila 250 milyon yaşında. Adından da anlaşılacağı gibi, DCBH’ler doğrudan büyük toz ve gaz bulutlarından oluşur (Einstein’ın genel görelilik teorisi tarafından öngörülen kararsızlıklar nedeniyle). Bu onları Popülasyon III yıldızları olarak da bilinen en eski süper kütleli yıldızlardan (SMS’ler) kaynaklanan kara deliklerden ayırır. Dr. Latif’in Universe Today’e e-posta yoluyla söylediği gibi, astrofizikçiler uzun süredir SMBH’lerin erken evrende nasıl oluştuğundan şüpheleniyorlardı:

“DCBH’ler yaklaşık iki büyüklük sırası daha büyüktür (10⁵ Güneş kütlesi) yıldız kütleli kara delikler (yaklaşık 100 güneş kütlesi) veya yıldız çarpışmaları yoluyla oluşan kara delikler (~1000 güneş kütlesi) gibi diğer senaryolardaki kara deliklerden daha fazladır. Bu onları, özellikle de Big Bang’den sonraki ilk Gyr’de gözlemlenen ilk SMBH’ler için lider adaylar haline getiriyor.”

SMBH’lerin varlığı, başlangıçta, Big Bang’den sonraki 1 milyar yıl içinde var olan yüksek kırmızıya kaymalı ilkel SMBH’lerin varlığını açıklamak için önerildi. Ancak Latif ve meslektaşlarının açıkladığı gibi, astrofizikçilerin teorik olarak öngördükleri ile astronomların gözlemledikleri arasında tutarsızlıklar vardı. Özellikle, manyetik alanların ilkel toz bulutları ile malzemenin birikmesinde oynadığı rol vardır, bu da sonunda yerçekimi çöküşüne ve DCBH’lerin oluşumuna neden olmuştur.

“Standart fizik modeli, ilk manyetik alan gücü üzerinde herhangi bir kısıtlama sağlamaz ve bazı modeller, 10 derecelik küçük B-alanlarını tahmin eder.^-20 G,” dedi Latif. “Gözlenen alanlardan (yaklaşık 1G) çok daha küçükler. Bu nedenle, bilim topluluğu, rollerinin yalnızca ikincil olabileceğini düşündü.”

Bu gizem, DCBH’lerin oluşumunu sayısal olarak simüle etme girişimlerinin kapsamı sınırlı olduğu için devam etti. Önceki simülasyonlar, SMS’lerin beklenen ömrü olan 1,6 milyon yıl ile karşılaştırılabilir olarak kabul edilen, toplama sürecinin tam uzunluğunu simüle edecek bilgi işlem gücünden yoksundu. Son on yılda süper hesaplamadaki ilerlemeler sayesinde, farklı araştırma grupları son on yılda manyetik alanların kısa sürede güçlendirilebileceğini gösteren sayısal simülasyonlar gerçekleştirdi.

Benzer şekilde, DCBH’lerin oluşmasının beklendiği yaklaşık 13 milyar yıl önce manyetik alanların mevcut olduğuna dair artan kanıtlar var. Bu gizemi ele almak için Latif ve meslektaşları, 1,6 milyon yıllık bir ömre karşılık gelen bir dizi 3B kozmolojik manyeto-hidrodinamik (MHD) model yürüttüler:

“Bir protostar için bir vekil olan simülasyonumuzda oluşan merkezi küme üzerinde toplanmayı modelliyoruz. Yaklaşık 1,6 Myr için simülasyonlar geliştiriyoruz, SMS’lerin beklenen ömrüyle karşılaştırılabilir ve kümede ne kadar kütle biriktiğini hesaplıyoruz, bu da bize şunu söylüyor. Önceki çalışmalar, simülasyonu yalnızca kısa bir süre için bir kyr’a (1000 yıl) kadar geliştirdi ve bu, SMS’lerin ömründen (~2 milyon yıl) çok daha kısadır.Bu nedenle, yığılmanın uzun süre sürdürülüp sürdürülemeyeceğini bilmek önemlidir. yeterli, ki bunun mümkün olduğunu gösteriyoruz.”

Bulguları, Latif ve meslektaşlarının (ve diğer grupların) manyetik alanların büyük yıldızların ve kara deliklerin oluşumunda nasıl hayati bir rol oynadığını gösteren önceki araştırmalarıyla tutarlıdır. Bu çalışmalar, gaz ve toz disklerinin birikmesiyle manyetik alanların nasıl güçlendirildiğini (Jean kütlesindeki artış) göstermiştir. Bu alanlar, parçalanmayı azaltmaktan ve diskleri stabilize etmekten, sonunda bu disklerin yerçekimsel çöküşü deneyimlemek ve süper kütleli yıldızlar ve kara delikler oluşturmak için gerekli kütleye (diğer bir deyişle Jean kütlesi) ulaşmasına izin vermekten sorumludur.

Latif, “Bu tür güçlü manyetik alanlar, jetleri ve çıkışları bile başlatabilir ve ayrıca yıldızların oluşumuna engel olarak kabul edilen açısal momentumun taşınmasına yardımcı olabilir.” “Bu nedenle, yıldızlararası ve galaksiler arası ortamların manyetizasyonu (yerel evrende gözlemlediğimize benzer) ve yüksek kırmızıya kaymalı galaksilerin oluşumunun yanı sıra büyük kara deliklerin evrimini şekillendirmek için önemli çıkarımları olacak.”

Bu bulgular ayrıca, manyetik alanlar ve bunların erken galaksilerin oluşumu ve evrimindeki rolleri hakkında gelecekteki çalışmaların neler ortaya çıkarabileceğini de ön görüyor. Önümüzdeki on yıl ve sonrasında, gökbilimcilerin Kilometre Kare Dizisi (SKA) ve yeni nesil Çok Büyük Dizi (ng-VLA) gibi güçlü radyo gözlemevlerini kullanarak en eski karadeliklerin jetlerini ve çıkışlarını incelemeleri bekleniyor. 2027 ve 2029’a kadar (sırasıyla) faaliyete geçecek.