Ilustrasi Alam Semesta awal. Kredit gambar: NASA. Klik untuk memperbesar.
Semuanya dimulai sejak lama ketika alam semesta masih sangat muda. Bintang-bintang pemulia masif yang paling awal bermain-main di masa muda mereka - berputar dan berkelok-kelok di antara rerumputan hijau yang kaya akan materi perawan. Ketika waktu yang ditentukan dimainkan, mesin-mesin nuklir mendidihkan aliran hidrogen panas dan gas helium yang ekspansif - yang memperkaya media antarbintang. Selama fase ini, gugus bintang supermasif terbentuk di saku kecil dekat inti galaksi yang baru lahir - masing-masing kelompok berenang di daerah kecil materi mini-halo purba.
Menyelesaikan siklus mereka, bintang-bintang pemulia paling awal meledak, memuntahkan atom-atom berat. Tetapi sebelum terlalu banyak benda berat terakumulasi di Semesta, lubang hitam paling awal terbentuk, tumbuh dengan cepat melalui asimilasi timbal balik, dan mengakumulasi pengaruh gravitasi yang cukup untuk menarik gas "Goldilocks" dari suhu dan komposisi yang tepat ke dalam cakram akresi lebar yang besar. Fase pertumbuhan superkritis ini mematangkan status lubang hitam masif (MBH) paling awal dengan cepat menjadi status lubang hitam supermasif (SMBH). Dari sini, quasar yang paling awal berdiam di dalam lingkaran mini yang menyatu dari berbagai protogalaxies.
Gambar pembentukan quasar awal ini muncul dari sebuah makalah baru-baru ini (diterbitkan 2 Juni 2005) berjudul "Pertumbuhan Cepat Lubang Hitam Pergeseran Tinggi" yang ditulis oleh Kosmolog Cambridge UK Martin J. Rees dan Marta Volonteri. Studi itu memperlakukan kemungkinan bahwa jendela singkat pembentukan SMBH cepat dibuka setelah masa transparansi universal tetapi sebelum gas di media antarbintang sepenuhnya terionisasi melalui radiasi bintang dan diunggulkan dengan logam berat oleh supernova. Model Rees-Volonteri berusaha menjelaskan fakta yang keluar dari dataset Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Pada 1 miliar tahun setelah Big Bang, banyak quasar yang sangat berseri telah terbentuk. Masing-masing dengan SMBH memiliki massa melebihi 1 miliar matahari. Ini muncul dari "lubang hitam benih" - abu gravitasi yang tertinggal setelah siklus awal supernova runtuh di antara kelompok galaksi besar pertama. Satu miliar tahun setelah Big Bang, semuanya berakhir. Bagaimana bisa begitu banyak massa yang mengembun begitu cepat ke daerah-daerah kecil seperti itu?
Menurut Volontari dan Rees, “Untuk menumbuhkan benih semacam itu hingga 1 miliar massa matahari memerlukan pertambahan gas yang hampir terus menerus…” Bekerja melawan laju pertambahan yang begitu tinggi, adalah kenyataan bahwa radiasi dari materi yang jatuh ke lubang hitam biasanya cepat terkompensasi dengan cepat ” pertambahan berat badan ”. Sebagian besar model pertumbuhan SMBH menunjukkan bahwa sekitar 30% dari massa yang jatuh ke arah lubang hitam antara (masif - bukan supermasif) dikonversi menjadi radiasi. Efek dari hal ini adalah dua kali lipat: Materi yang akan memberi makan MBH hilang karena radiasi, dan tekanan radiasi luar menghambat gerak maju materi ke dalam untuk memberi makan pertumbuhan yang cepat.
Kunci untuk memahami pembentukan SMBH yang cepat terletak pada kemungkinan bahwa disk akresi awal di sekitar MBH tidak sepadat optik seperti saat ini - tetapi "gemuk" dengan materi yang terdistribusi dengan kuat. Dalam kondisi seperti itu, radiasi memiliki jalur bebas rata-rata yang lebih luas dan dapat keluar dari cakram tanpa menghalangi gerakan materi ke dalam. Bahan bakar yang mendorong seluruh proses pertumbuhan SMBH dikirimkan secara berlebihan ke cakrawala peristiwa lubang hitam. Sementara itu, jenis materi hadir dalam zaman paling awal terutama hidrogen monatomik dan helium - bukan jenis cakram akresi logam kaya kaya dari era kemudian. Semua ini menunjukkan bahwa MBH awal tumbuh dengan tergesa-gesa, pada akhirnya terhitung untuk banyak quasar yang sepenuhnya matang yang terlihat dalam dataset SDSS. MBH awal seperti itu pasti memiliki rasio konversi energi massal yang lebih khas dari SMBH dewasa sepenuhnya daripada MBH saat ini.
Volontari dan Rees mengatakan bahwa peneliti sebelumnya telah menunjukkan bahwa "quasar yang dikembangkan sepenuhnya memiliki efisiensi konversi energi massal sekitar 10% ..." Namun pasangan ini memperingatkan bahwa nilai konversi energi massa ini berasal dari studi quasar dari periode kemudian di Universal. ekspansi dan bahwa "tidak ada yang diketahui tentang efisiensi radiasi quasar pregalaksi di Semesta awal." Untuk alasan ini "gambar yang kita miliki tentang Semesta redshift rendah mungkin tidak berlaku pada waktu sebelumnya." Jelas bahwa Semesta awal lebih padat dengan materi, materi itu pada suhu yang lebih tinggi, dan ada rasio non-logam yang lebih tinggi terhadap logam. Semua faktor ini mengatakan bahwa hampir semua orang paling bisa menebak efisiensi konversi energi massal MBH awal. Karena kita sekarang harus menjelaskan mengapa begitu banyak SMBH ada di antara quasar awal, masuk akal bahwa Volontari dan Rees menggunakan apa yang mereka ketahui tentang disk akresi hari ini sebagai sarana untuk menjelaskan bagaimana mereka mungkin memiliki disk yang berbeda di masa lalu.
Dan ini adalah waktu yang paling awal - sebelum radiasi dari banyak bintang mengionisasi kembali gas dalam media antar-bintang - yang menawarkan kondisi matang untuk pembentukan SMBH yang cepat. Kondisi seperti itu mungkin telah berlangsung kurang dari 100 juta tahun dan membutuhkan keseimbangan yang mahir dalam suhu, kepadatan, distribusi, dan komposisi materi di Alam Semesta.
Untuk mendapatkan gambaran lengkap (seperti yang dilukis di kertas), kita mulai dengan gagasan bahwa alam semesta awal dihuni oleh mini-halo yang tak terhitung terdiri dari materi gelap dan baryonic dengan gugus bintang yang sangat besar tetapi sangat padat di tengah-tengah mereka. Karena kepadatan gugus-gugus ini - dan besarnya bintang-bintang yang menyusunnya - supernova dengan cepat berkembang untuk menelurkan banyak "lubang hitam benih". Benih BH ini bergabung menjadi lubang hitam besar. Sementara itu gaya gravitasi dan gerakan nyata dengan cepat menyatukan berbagai mini-lingkaran. Ini menciptakan lingkaran cahaya yang semakin masif yang mampu memberi makan MBH.
Pada awal Semesta, materi di sekitar MBH berbentuk spheroid hidrogen dan helium yang miskin logam dengan rata-rata suhu sekitar 8.000 derajat Kelvin. Pada suhu setinggi itu, atom tetap terionisasi. Karena ionisasi, ada beberapa elektron yang terkait dengan atom untuk bertindak sebagai perangkap foton. Efek tekanan radiasi berkurang ke titik di mana materi jatuh lebih mudah ke cakrawala peristiwa lubang hitam. Sementara itu elektron bebas sendiri menyebarkan cahaya. Sebagian dari cahaya itu benar-benar memancarkan kembali ke arah piringan akresi dan sumber massa lain - dalam bentuk energi - memberi makan sistem. Akhirnya kelangkaan logam berat - seperti oksigen, karbon, dan nitrogen - berarti bahwa atom monotomik tetap panas. Karena ketika suhu turun di bawah 4.000 derajat K, atom-ion deionisasi dan sekali lagi menjadi tekanan radiasi mengurangi fluks materi baru jatuh ke cakrawala peristiwa BH. Semua sifat fisik murni ini cenderung menurunkan rasio efisiensi energi massal - memungkinkan MBH menambah berat badan dengan cepat.
Sementara itu ketika mini-halo bersatu, materi baryonik panas terkondensasi menjadi disk "tebal" besar - bukan cincin tipis yang terlihat di sekitar SMBH saat ini. Ini terjadi karena halo itu sendiri benar-benar mengelilingi MBH yang berkembang pesat. Distribusi materi berbentuk bola ini menyediakan sumber konstan dari bahan yang segar, panas, dan murni untuk memberi makan piringan akresi dari berbagai sudut. Disk tebal berarti jumlah materi yang lebih banyak pada kerapatan optik yang lebih rendah. Sekali lagi, materi berhasil menghindari "berlayar surya" keluar dari rahang MBH yang menjulang dan rasio konversi energi-massa turun.
Kedua faktor - cakram lemak dan terionisasi, atom bermassa rendah - mengatakan bahwa selama masa keemasan alam semesta hijau awal, MBH tumbuh dengan cepat. Dalam satu miliar tahun setelah Dentuman Besar, mereka telah mencapai kedewasaan yang relatif tenang secara efisien mengubah materi menjadi cahaya dan melemparkan cahaya itu melintasi jangkauan waktu dan ruang yang luas menjadi Semesta yang berpotensi terus berkembang.
Ditulis oleh Jeff Barbour
