Původ supermasivních černých děr odhalily simulace na superpočítačích

Počítačové simulace provedené astrofyziky na Tohoku University v Japonsku vedly k odhalení nové teorie původu supermasivních černých děr. Podle této teorie předchůdci supermasivních černých děr narůstají nejen pohlcováním mezihvězdného plynu, ale stejně tak i menších hvězd. To pomáhá vysvětlit velké množství supermasivních černých děr pozorovaných v současnosti.

Téměř každá galaxie v současném vesmíru má ve svém centru supermasivní černou díru. Jejich hmotnosti mohou někdy dosáhnout až 10 miliard hmotností Slunce. Avšak jejich původ je stále jednou velkou záhadou astronomie. Populární teorie je taková, že dochází k přímému kolapsu, kde se primordiální oblaka mezihvězdného plynu smršťují v důsledku vlastní gravitace a vytvářejí supermasivní hvězdy, které se následně vyvíjejí do supermasivních černých děr. Avšak předcházející studie ukázaly, že přímý kolaps funguje pouze s dokonalým plynem skládajícím se z vodíku a hélia. Těžší prvky, jako je uhlík a kyslík, změní dynamiku plynu, což způsobuje, že smršťující se plyn fragmentuje na množství menších oblaků a dochází ke vzniku malých hvězd místo několika supermasivních hvězd. Přímý kolaps dokonalého plynu sám nemůže vysvětlit velké množství supermasivních černých děr, které pozorujeme ve vesmíru.

Sunmyon Chon, postgraduální student na Japan Society for the Promotion of Science a Tohoku University se svým týmem využil superpočítač ATERUI II (Cray XC50) na National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) k provedení dlouhodobých 3D simulací s vysokým rozlišením k prověření předpokladu, že supermasivní hvězdy mohly vzniknout dokonce i v plynu obohaceném o těžké chemické prvky. Hvězdy vznikající v oblacích plynu včetně těžkých prvků bylo možné jen obtížně simulovat vzhledem k ceně výpočtů simulujících prudké rozdělování plynu. Avšak pokrok v kapacitě výpočtů, především vysokorychlostních výpočtů u ATERUI II objednaného v roce 2018, umožnila týmu vědců zvítězit nad touto výzvou. Tyto nové simulace umožnily studovat vznik hvězd z plynných oblaků v mnohem větším detailu.

Na rozdíl od dřívějších předpovědí vědecký tým zjistil, že supermasivní hvězdy mohou klidně vznikat z plynných oblaků obohacených o těžké chemické prvky. Podle očekávání se plynný oblak násilně rozpadl a vzniklo mnoho menších hvězd. Avšak je zde výrazné množství plynu proudícího do centra oblaku; menší hvězdy jsou unášeny těmito proudy a jsou polykány hmotnými hvězdami v centru oblaku. Ze simulací vyplývá utváření masivních hvězd více než 10 000× hmotnějších než Slunce. „To je vůbec poprvé, kdy jsme prokázali vznik takových předchůdců velkých černých děr v oblacích obohacených těžkými prvky. Domníváme se, že zformované obří hvězdy tudíž budou růst a vyvíjet se do obřích černých děr,“ říká Sunmyon Chon.

Tento nový model ukazuje, že nejen primordiální plyn, ale i plyn obohacený o těžké prvky může být schopen vytvořit obří hvězdy, které se mohou stát zárodky černých děr. „Náš nový model je schopen vysvětlit původ většiny černých děr v porovnání s předchozími studiemi a tyto závěry vedou k jednotnému porozumění původu supermasivních černých děr,“ říká Kazuyuki Omukai, profesor na Tohoku University.

Tyto výsledky publikovali Sunmyon Chon a Kazuyuki Omukai v článku pod názvem „Supermassive star formation via super competitive accretion in slightly metal-enriched clouds“ v Monthly Notices of the Royal Astronomical Society v květnu 2020.

Zdroj: https://scitechdaily.com/new-origin-of-supermassive-black-holes-revealed-by-supercomputer-simulation/

autor: František Martinek