איור של היקום הקדום. אשראי תמונה: נאס"א. לחץ להגדלה.
הכל התחיל לפני זמן רב בזמן שהיקום היה צעיר מאוד. כוכבי המגדל המסיביים הקדומים ביותר השתחררו בצעירותם - מסתובבים ומעבירים בין עשבים ירוקים עשירים של חומר בתולי. עם זמנן המוקצב, מנועי הגרעין הרתיחו זרמים נרחבים של מימן חם וגז הליום - והעשירו את התקשורת הבין-כוכבית. בשלב זה, אשכולות כוכבים סופר-מסיביים נוצרו בכיסים קטנים סמוך לליבות הגלקסיות המתהוות - כל אשכול שוחה באזורים קטנים של חומר מיני-הילה קדמוני.
לאחר השלמת המחזור שלהם, הכוכבים המגדלים הקדומים ביותר התפוצצו, והפיצו אטומים כבדים. אך לפני שהחומר הכבד ביותר שהצטבר ביקום, החורים השחורים הקדומים ביותר שנוצרו, צמחו במהירות באמצעות הטמעה הדדית, וצברו מספיק השפעה כבידתית בכדי לשאוב גזים "גליליות זהב" של טמפרטורות והרכב מדויקים לדיסקי שכבה רחבים גדולים. שלב צמיחה סופר-קריטי זה הבשיל את החורים השחורים המסיביים הקדומים ביותר (MBHs) במהירות למצב שחור שחור-מסיבי (SMBH). מתוך זה התיישבו הקוואזרים הקדומים בתוך מיני הילות התמזגו של פרוטוגלקסיות רבות.
תמונה זו של היווצרות קוואזאר מוקדמת עלתה מתוך מאמר שפורסם לאחרונה (שפורסם ב -2 ביוני 2005) תחת הכותרת "צמיחה מהירה של חורים שחורים בגובה האדום הגבוה" שנכתבו על ידי הקוסמולוגים בבריטניה בקמברידג 'מרטין ג'יי ריס ומרתה וולונטרי. מחקר זה מתייחס לאפשרות כי חלון קצר של היווצרות SMBH מהיר נפתח לאחר זמן השקיפות האוניברסלית אך לפני גזים בתקשורת הבין-כוכבית מיוננים מחדש לחלוטין באמצעות קרינה כוכבית וזרעו במתכות כבדות על ידי סופרנובות. מודל Rees-Volonteri מנסה להסביר עובדות היוצאות ממערך הנתונים של Sloan Digital Sky Survey (SDSS). כמיליארד שנה לאחר המפץ הגדול כבר נוצרו קוואזרים רבים וקורנים מאוד. כל אחד מהם עם מסמכי SMBH שיש המונים העולים על מיליארד שמשות. אלה נבעו מתוך "חורים שחורים זרעים" - בוכנות כבידה שהושארו אחרי המחזור המוקדם ביותר של סופרנובות התמוטטו בין הצבירים הגלקטיים המסיביים הראשונים. אחרי מיליארד שנה אחרי המפץ הגדול, הכל נגמר. כיצד יכול המסה כה רבה להתעבות כל כך מהר לאזורים כה קטנים של חלל?
לדברי וולונטרי וריס, "כדי לגדל זרעים כאלה עד כמיליארד מסות שמש דורש הצטברות כמעט רציפה של גז ..." העבודה נגד קצב ההשקעה כה גבוה, היא העובדה שקרינה מחומר הנופל לחור שחור בדרך כלל מקזזת מהירה " עלייה במשקל". מרבית הדגמים של צמיחת SMBH מראים שכ- 30% מהמסה הנופלת לעבר חור שחור (מסיבי - לא סופר-מסיבי) מומר לקרינה. ההשפעה של זה היא כפולה: חומר שמאכיל אחרת את ה- MBH אבוד לקרינה, ולחץ הקרינה כלפי חוץ מחניק את צעדת החומר הנוסף כלפי פנים כדי להזין צמיחה מהירה.
המפתח להבנת היווצרות מהירה של SMBH נעוץ באפשרות כי דיסקי ההקרדה המוקדמים סביב MBH לא היו צפופים אופטי כמו שהם היום - אלא "שמנים" עם חומר מופץ בנוקשות. בתנאים כאלה, לקרינה יש מסלול חופשי ממוצע רחב יותר והוא יכול לברוח מעבר לדיסקים מבלי לפגוע בתנועה פנימית של החומר. דלק המניע את כל תהליך הצמיחה של SMBH מועבר בשפע לאופק האירועים של החור השחור. בינתיים, חומר הסוג שנמצא בתקופה המוקדמת ביותר היה בעיקר מימן והליום מונומטיים - לא מסוג דיסקי ההטבה העשירים של מתכת כבדה של תקופה מאוחרת. כל אלה מרמזים על כך ש- MBH המוקדם גדל ממהר, ובסופו של דבר מהווה את כמות הקוואזרים הרבים הבוגרים המלאים שנראו במערך SDSS. כנראה שביחידות MBH מוקדמות כאלה היו יחסי המרה אנרגיים המוניים האופייניים יותר ל- SMBH בוגרים לחלוטין לעומת ה- MBH של ימינו.
וולונטרי וריס אומרים כי חוקרים קודמים הראו כי "קוואזרים מפותחים במלואם הם בעלי יעילות המרה המונית-אנרגית של בערך 10% ..." הצמד מזהיר כי ערך המרת אנרגיה-המוני זה יוצא ממחקרים של קוואזרים מתקופה מאוחרת יותר באוניברסלי. הרחבה וכי "לא ידוע דבר על היעילות הקרינה של קוואזרים טרום-פרקטיים ביקום המוקדם." מסיבה זו "יתכן שהתמונה שיש לנו על היקום המשנה האדום הנמוך אינה חלה במועדים מוקדמים יותר." ברור שהיקום המוקדם היה צפוף יותר בחומר, החומר היה בטמפרטורה גבוהה יותר, והיה יחס גבוה יותר של לא מתכות למתכות. כל הגורמים הללו אומרים שכך ניחוש הכי טוב בכל אחד ביחס ליעילות ההמרה המונית-אנרגית של MBHs מוקדמים. מכיוון שעכשיו אנו חייבים להסביר מדוע קיימים כה רבים מ- SMBH בין קוואזרים מוקדמים, הגיוני כי וולונטארי וריס משתמשים במה שהם יודעים על דיסקי ההקרבה של היום כאמצעי להסביר כיצד הדיסקים הללו עשויים להיות שונים בעבר.
וזוהי התקופה המוקדמת ביותר - לפני קרינה מכוכבים רבים שהמיסו מחדש גזים בתוך המדיה הבין-כוכבית - שהציעו תנאים הבשלים להיווצרות SMBH מהירה. יתכן שתנאים כאלה נמשכו פחות ממאה מיליון שנה והצריכו איזון מיומן בטמפרטורה, בצפיפות, בהתפלגות ובהרכב החומר ביקום.
כדי לקבל את התמונה השלמה (כפי שצויר בעיתון), נתחיל ברעיון שהיקום המוקדם מאוכלס באינספור מיני הילות המורכבות מחומר אפל ובאריוני עם צבירי כוכבים מאסיביים מאוד אך צפופים במיוחד. בגלל הצפיפות של האשכולות הללו - וממאסות הכוכבים המרכיבים אותם - התפתחו סופרנובות במהירות כדי להוליד מספר "חורים שחורים זרעים". BHs זרעים אלה התכנסו לחורים שחורים מסיביים. בינתיים כוחות הכבידה והתנועות האמיתיות הפגישו במהירות את מיני ההילות השונות. זה יצר הילות מאסיביות יותר ויותר המסוגלות להזין MBHs.
ביקום המוקדם, החומר סביב MBHs צורה של כדוריים ענקיים עניים מתכתיים של מימן והליום בממוצע כ 8,000 מעלות קלווין בטמפרטורה. בטמפרטורות כה גבוהות, האטומים נשארים מיוננים. עקב יינון, היו מעט אלקטרונים הקשורים לאטומים ששימשו כמלכודות פוטון. השפעות לחץ הקרינה פחתו עד לנקודה בה החומר נפל ביתר קלות לאופק אירועים של חורים שחורים. בינתיים אלקטרונים חופשיים עצמם מפזרים אור. חלק מהאור הזה למעשה מקרין בחזרה לכיוון דיסק ההקרדה ומקור אחר של מסה - בצורה של אנרגיה - מזין את המערכת. לבסוף מחסור במתכות כבדות - כמו חמצן, פחמן וחנקן - פירושו שהאטומים המונוטומיים נשארים חמים. שכן ככל שהטמפרטורות יורדות מתחת ל -4,000 מעלות K, אטומים מתייבשים ומתאפיינים שוב בלחץ קרינה שמפחית את שטף החומר הטרי הנופל לאופק האירועים של BH. כל התכונות הפיזיות הטהורות הללו נטו להוריד את יחסי היעילות האנרגטית המונית - מה שמאפשר ל- MBHs לעלות במשקל במהירות.
בינתיים כאשר מיני הילות התכנסו, חומר בריוני חם התמצה לכדי דיסקים "עבים" ענקיים - לא הטבעות הדקות שנראו סביב היום של ה- SMBH. זה קרה מכיוון שחומר ההילה עצמו הקיף לחלוטין את ה- MBH שצומחו במהירות. התפלגות ספירואידית זו של חומר סיפקה מקור קבוע לחומר טרי, חם ובתולי, להזנת דיסק ההקרבה ממגוון זוויות. דיסקים עבים משמעותו כמויות גדולות יותר של חומר בצפיפות אופטית נמוכה יותר. שוב, החומר הצליח להימנע מלהיות "שטה סולארי" כלפי חוץ הרחק מהכסות הבסיסיות של ה- MBH ויחסי ההמרה האנרגיה ההמונית נפלו.
שני הגורמים - דיסקי שומן ואטומים מיוננים בעלי מסה נמוכה - אומרים כי במהלך תור הזהב של יקום ירוק מוקדם, MBHs צמחו במהירות. בתוך מיליארד שנה לאחר המפץ הגדול הם התמקמו בבגרות שקטה יחסית והמירו חומר ביעילות לאור והטילו את האור על פני טווח רחב של זמן ומרחב ליקום פוטנציאלי שהולך ומתרחב.
נכתב על ידי ג'ף ברבור
