En ny kosmologisk simulering tyder på att täta stjärnhopar i det tidiga universum kan ha bildat frön för supermassiva svarta hål genom okontrollerade sammansmältningar. Detta arbete adresserar hur dessa massiva objekt växte snabbt efter universums födelse och kan förklara mystiska 'små röda prickar' observerade av James Webb-rymdteleskopet. Ledd av Fred Garcia vid Columbia University, återskapar studien de första 700 miljoner åren av kosmisk historia.
Supermassiva svarta hål finns i kärnorna på nästan alla av universums 2 biljoner galaxer. Dessa monster bildades strax efter universums födelse och växte till miljontals eller miljarder gånger solens massa på mindre än en miljard år, vilket förbryllar astronomer.
Mysteriet fördjupades 2022 när James Webb-rymdteleskopet (JWST) upptäckte 'små röda prickar' i bilder av det avlägsna universum. Dessa dyker upp runt 600 miljoner år efter universums födelse och bleknade inom nästa miljard år, och många forskare ser dem nu som växande supermassiva svarta hål som dyker upp tidigare än förväntat.
Fred Garcia, en doktorand vid Columbia University, ledde en studie publicerad i The Open Journal of Astrophysics (DOI: 10.33232/001c.145064). Den stöder idén att täta stjärnhopar bildade frön för svarta hål med intermediär massa. 'Just nu finns det tre huvudidéer om hur frön för supermassiva svarta hål bildas: direkt kollaps från gasmoln, rester av de första stjärnorna och täta stjärnhopar', sa Garcia. 'Vårt arbete stödjer verkligen det sista fallet.'
Simuleringen fokuserade på en dvärg-galaxs bildande under de första 700 miljoner åren och avslöjade två utbrott av stjärnbildning i kalla gasmoln inom en mörk materia-halo. Hoparna migrerade till centrum och smälte samman till en kärn-stjärnhopa som skiner som en miljon solar. Vissa moln omvandlade upp till 80 procent av gasen till stjärnor, långt över de 2 procenten i moderna galaxer.
Stjärnor i den täta hopan exploderade och lämnade svarta hål som sjönk till kärnan och smälte samman upprepade gånger. 'Alla stjärnmassiva svarta hål som migrerar till centrum... bildar så småningom sin egen otroligt täta, gravitationsbundet hopa', sa Matías Liempi Gonzalez vid Sapienza University of Rome, som inte var involverad. Denna okontrollerade process kan skapa embryon till supermassiva svarta hål.
Priyamvada Natarajan vid Yale University, också oinvolverad, noterade att resultaten stämmer med hennes teoretiska arbete från 2014 om svarta håls tillväxt i sådana hopar. Simuleringen kan förklara JWST-observationer av stjärnhopar vid 460 och 600 miljoner år efter big bang, med framtida observationer från JWST och LISA-uppdraget som potentiellt bekräftar kopplingen.