Opprinnelsen til 'Mirach's Ghost' forvirrende forskere i svart hull

 Rundt 10 millioner lysår fra Jorden, kan en uskarp galakse ved navn Mirach's Ghost bidra til å avdekke et mørkt mysterium: hvor de største sorte hullene i universet kom fra. Men denne spøkelsesaktige galaksen har også utdypet mysteriet rundt disse gjenstanders fødsler.

Et svart hull er en singularitet, et område i romtid der materien har blitt for tett til å opprettholde seg selv, og kollapset til et formløst punkt. Supermassive sorte hull (SMBH) er kosmiske monstre, som ofte veier milliarder ganger solenes masse, sammenlignet med massen av tunge stjerner som danner vanlige sorte hull. De sitter i sentrum av store galakser, suger opp bensin og pisker stjerner rundt med sine enorme gravitasjoner. Det er en i sentrum av Melkeveien og en enda større i sentrum av Jomfru A-galaksen som astronomene har fotografert. Men det er fremdeles ikke klart hvordan disse enorme objektene dannet seg.

Fysikere tror det er to muligheter: Kanskje er SMBH-er gamle trekk ved universet, gjenstander som direkte kollapset ut av den varme massen som strømmet gjennom verdensrommet etter Big Bang. Eller kanskje de dannet seg som alle andre sorte hull i universet: som et resultat av detoneringen av døende stjerner. Hvis den sistnevnte forklaringen var riktig, ville SMBH-er begynt i det små og plukket opp ekstra masse i løpet av eoner ved å sopre støv og andre stjerner.

I slekt: 9 fakta om sorte hull som vil blåse i tankene dine

"Problemet er at i begge tilfeller har de fleste sorte hull vokst betydelig siden fødselen og slukt opp skyer av gass og støv som virvler rundt dem," sier Timothy Davis, en astrofysiker ved Cardiff University i Wales. "Dette gjør dem tyngre og gjør det vanskelig å bestemme hvilken masse de begynte livet med."

Så Davis og kollegene hans lette etter de minste SMBH-ene de kunne finne.

Disse små-supermassivene, fortalte han, "har ikke hatt sjansen til å konsumere store mengder materiale i fortiden, [så når vi studerer dem] kommer vi i nærheten av å avsløre hvordan SMBHs må ha sett ut da de ble dannet."

Forskerne studerte SMBH i sentrum av galaksen "Mirach's Ghost" (så kalt fordi galaksen fra Jorden ser ut som en skikkelse nær stjernen Mirach), ved å bruke en ny teknikk for å bestemme dens masse.

I slekt: De største uløste mysteriene innen fysikk

Stoler på data fra Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) i Chile, målte forskerne hastigheten på karbonmonoksidgass da den virvlet mot SMBH i sentrum av Mirachs Ghost-galakse.

"Akkurat som vann som går rundt et plug-hole, går denne gassen raskere og raskere når den nærmer seg det sorte hullet," sa Davis.

At virvlingen er et produkt av det sorte hullets masse, så hastigheten på virvlingen - nøyaktig målt - kan fortelle forskere hvor mye det sorte hullet veier. ALMAs bilder, med en oppløsning på 1,5 lysår (veldig detaljerte for et så langt objekt), gjorde det mulig. Denne SMBH, fant de, har en masse mindre enn 1 million ganger solen vår - en baby etter SMBH-standarder. Basert på estimater for hvor mye den har vokst siden fødselen, veide den sannsynligvis mindre enn 500 000 ganger massen til solen vår da den ble født, sa Davis.

-Universet: Big Bang til nå i 10 enkle trinn

-De 15 rare galakene i universet vårt

-101 astronomibilder som vil sprenge tankene dine

Det viser seg ikke at noen av opprinnelseshistoriene er korrekte, fant forskerne. Men det tipser noe balansen mot modellen for direkte kollaps, og utelukker mer ekstreme versjoner av teori om direkte kollaps. Noen teorier om direkte kollaps tillater ikke at SMBH-er som er små i det hele tatt dannes.

Fortsatt er opprinnelsen til sorte hull et mysterium. Et problem: Andre observasjoner har vist at veldig store SMBH-er eksisterte i sin nåværende form ganske snart etter Big Bang, som trosser våre antakelser om hvor raskt sorte hull kan vokse.

"Vi kjenner til to hovedmåter å lage SMBH-er, og ingen av disse kan lage sorte hull av denne størrelsen direkte. I stedet må de ha blitt født mindre og vokst til disse fantastiske størrelsene. Dette er veldig vanskelig å gjøre, da det er en grense til hvor mye et svart hull kan svelge i tiden som er tilgjengelig siden universet ble skapt, "sa Davis. "Arbeidet vårt forsterker dette problemet. Vi har vist at uansett hvilken mekanisme som gjør SMBH-er, tillater dem å ha en masse mindre enn 500 000 ganger massen til solen vår når de blir født."

Selv om det velter skalaene mot direkte-kollaps-teorien, gir ingen av teoriene gode forklaringer på hvor en så liten SMBH kunne ha kommet fra. Det endelige svaret vil sannsynligvis innebære noen vesentlige modifikasjoner av en av modellene fysikere har akkurat nå.

Så nå vet fysikere litt mer om hvordan unge SMBH-er ser ut. Men de er fremdeles ikke sikre på hvor de kom fra. Oppgaven som beskriver det sorte hullet i sentrum av Mirachs spøkelse ble publisert i dag (14. juli) i tidsskriftet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.