kozmos.hr
Svemir

Supermasivna crna rupa mogla bi sadržavati tragove Velikog praska

objavljeno

NASA-in James Webb teleskop možda bi mogao otkriti slabe tragove Velikog praska u crnim rupama.

Crne rupe i Veliki prasak

Najveće crne rupe u Svemiru nastale su iznenađujuće brzo, tj. u prvih milijardu godina njegova postojanja. Zbog navedene činjenice znanstvenici smatraju da neke od crnih rupa možda nisu nastale smrću masivnih zvijezda – kao što neke teorije predložu – već da su rođene u prvoj sekundi Velikog praska.

Kako bi propitali ovu mogućnost tim astrofizičara predložio je radikalnu hipotezu – elementi oko ovih divovskih crnih rupa mogu se suptilno razlikovati od kozmičkog prosjeka, zadržavajući reliktnu uspomenu na mladi Svemir.

Supermasivne crne rupe – prevelike da propadnu

Kao što ime govori, supermasivne crne rupe (eng. SMBH) su gigantske. Najmanje su milijunima puta masivnije od Sunca, a najveće – one koje se nalaze u središtima ogromnih galaksija – dosežu stotine milijardi solarnih masa. Pronalaženje takvih divovskih crnih rupa u ovovremenom Svemiru nije toliko iznenađenje, budući da su te crne rupe imale milijarde godina da se ‘nagutaju’ plina i prašine, ali i drugih crnih rupa. Međutim, astronomi su nedavno počeli uočavati SMBH i u ranome svemiru. Znanstvenici trenutno znaju za preko 200 SMBH koje su postojale kada je svemir bio mlađi od milijardu godina te jednu SMBH koja je nastala kada je svemir bio mlađi od 700 milijuna godina; što, dakle, znači da su formiranje veoma brzo. Točnije, čak i prebrzo!

Znanstvenici razumiju nastajanje crnih rupa u današnjem Svemiru – kada velika zvijezda umre za sobom ostavlja crnu rupu koja se, nadalje, hrani okolnim ‘materijalom’ te vremenom raste dok – ako ima sreće – ne dobije status supermasivne. No, problem je što taj proces traje, a kada je Svemir bio mlad zvijezde i galaksije tek su se počele formirati, tj. stvaranje ranih SMBH-a pomiče naše granice poznavanja astrofizičkih procesa.

Primordijalno porijeklo?

Dakle, zaključili su znanstvenici, možda neke SMBH nisu nastale iz normalnih astrofizičkih procesa, već upravo u ranim trenutcima Velikog praska. Rani svemir bio je ekstremno mjesto – gustoće i pritisci bili su dovoljno visoki da spoje temeljne sile prirode u ujedinjena polja. U prvih nekoliko sekundi bilo je čak prevruće da bi se protoni i neutroni zgusnuli prije nego što su se raspali. U tim burnim vremenima možda je bilo moguće da se ekstremni kontrasti gustoće pojave spontano, a tamo gdje postoje ekstremni kontrasti gustoće – tj. gdje se mnogo mase nakuplja u vrlo malen volumen – mogu nastati crne rupe.

Riječ je o tzv. primordijalnim crnim rupama, za koje se smatra da su nastale egzotičnim interakcijama u Velikom prasku. Astronomi su proveli desetljeća tražeći ih, pritom koristeći različite tehnologije, no potrage nisu urodile plodom zbog čega su gotovo sve teorije njihovog nastanka odbačene.

Međutim, dio znanstvenika smatra da postoji prostor za prihvaćanje jedne klase primordijalnih crnih rupa – crne rupe s oko 100 000 puta većom masom od Sunca koje su nastale u prvoj sekundi Velikog praska. Te bi crne rupe brzo progutale bilo koju okolnu materiju, gutajući sve što s njima stupi u kontakt, sve dok ne postanu SMBH koje promatramo u mladom kozmosu.

No, postavlja se pitanje kako možemo razlikovati ‘klasične’ crne rupe nastale poznatim astrofizičkim procesima od onih primordijalnih?

Gdje ima dima, ima i vatre

Jedan tim astrofizičara – u radu objavljenom na preprint platformi arXiv – sugerira da odgovor na to pitanje možemo dobiti ako jako, jako dugo, gledamo u crnu rupu. Tvrde da odgovor leži u činjenici da primordijalne crne rupe nisu ‘samo sjedile’ u ranome Svemiru, već su bile u interakciji i utjecale na svoju okolinu. Na taj način možemo isključiti mnoge modele, jer bi toliko poremetili vruću plazmu Velikog praska da bi iskrivili naša opažanja.

Primordijalne crne rupe s masama od 100.000 Sunca imale bi, ironično, mnogo suptilniji učinak. Točnije, ne bi ih bilo dovoljno da ozbiljno poremete fiziku ranog Svemira pa bi preživjele uglavnom neotkrivene. No, važna epoha nastupit će samo nekoliko minuta nakon njihovog formiranja – era nukleosinteze, kada su se prvi svjetlosni elementi formirali iz vruće, guste ‘juhe’ Velikog praska.

Fizičari dobro razumiju ovu fazu jer slijedi iste fizičke zakonitosti kao nuklearni reaktori i atomske bombe. Primordijalne crne rupe ne bi potpuno poremetile ovaj proces, ostavljajući količinu vodika i helija uglavnom istom u cijelom kozmosu, ali bi utjecale na svoju okolinu. Nuklearni procesi bi se promijenili u blizini crnih rupa zbog njihove ekstremne gravitacije, tj. one bi mijenjale svoju okolinu te tako rezultirale blagim razlikama u mješavini elemenata.

Kad bi plin koji okružuje te crne rupe mogao zadržati ‘sjećanje’ na to doba, materijal koji promatramo oko SMBH-a imao bi drugačiji sastav od kozmičkog prosjeka. U konkretnoj studiji autori su otkrili da bi prisutnost primordijalnih crnih rupa mogla povećati količinu helija za oko 10%, ali i smanjiti količinu litija za oko 10%.

Težak zadatak koji tek predstoji

Ipak, za kraj, treba istaknuti kako i sami autori priznaju da bi potraga za ovakvim razlikama bila veoma izazovna, ali naglašavaju da bi instrumenti kao što je NASA-in svemirski teleskop James Webb – koji će uskoro biti lansiran – mogli biti adekvatan alat za taj zadatan. Proučavanje ovog ‘elementarnog otiska prsta’ moglo bi otkriti ne samo podrijetlo SMBH-a, već bi i astronomima pružilo neprocjenjiv uvid u najranije trenutke Velikog praska.

Rani svemir vrvio je lutajućim crnim rupama

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Phoebe Upton Sanderbeck, Simeon Bird, Zoltan Haiman, „Nucleosynthetic signatures of primordial origin around supermassive black holes,“ arXiv.org (pristup 30. listopada 2021.)

Paul Sutter (26. listopada 2021.), Some supermassive black holes may contain fingerprints from the Big Bang, space.com (pristup 30. listopada 2021.)

 

Ja sam Filip Šimunjak, student sam završne godine studija ranonovovjekovnog povijesti na Filozofskom fakultetu u Zagrebu. U slobodno vrijeme volim čitati i pisati. Svemir, astronomija i astrofizika fasciniraju me od mladosti.