Superpočítačová simulace přímého kolapsu vesmírného plynu do černé díry. Kredit: Aaron Smith / TACC / UT-Austin.

Prý je to kosmický zázrak. V historii panovaly jenom jednou jedinkrát podmínky, které by umožnily existenci podivuhodných monster, černých děr vzniklých přímým kolapsem (direct-collapse black hole). Ve velmi mladém vesmíru, asi tak půl miliardy let po Velkém třesku. Zatím byly takové černé díry jenom teoretické, předpovězené před více než desetiletím. Ale už asi nejsou.

Zásadní objev si připisují astronomové Aaron Smith a Volker Bromm z Texaské univerzity v Austinu, kteří pracovali společně s Avi Loebem z centra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Přišli na to, že nedávno objevený a dost neobvyklý zdroj intenzivního záření je pravděpodobně černá díra vzniklá přímým kolapsem.

Aaron Smith. Kredit: UT-Austin.

Černé díry přímého kolapsu představují významný kousek do skládačky vzniku a vývoje supermasivních černých děr. Pokud se tento objev potvrdí, tak by se totiž mohly stát řešením úporné astrofyzikální záhady. Stále totiž není jasné, kde se ve velmi raném vesmíru vzaly supermasivní černé díry. Přitom máme velmi slušné důkazy o tom, že takové černé díry tehdy vskutku existovaly. V extrémně mladém vesmíru například pozorujeme velmi jasné kvasary, které, podle toho, co víme, musely pohánět obrovské černé díry. Zároveň ale také víme, že takové černé díry nemohly v raném vesmíru vzniknout tradičním způsobem, totiž požíráním hmoty a růstem z černých děr hvězdné velikosti. Prostě by to nestihly.

Volker Bromm. Kredit: : UT-Austin.

Odborníci mají za to, že supermasivní černé díry, které dnes sedí v srdci galaxií, začínaly jako černé díry o hmotnosti kolem 100 Sluncí, vzniklé zhroucením monstrózně velkých hvězd. Pak prý postupně vyjídaly hmotu ve svém okolí. A rostly a rostly, dlouhé miliardy let. Jenže pro supermasivní černé díry ve velmi mladém vesmíru, to takhle nemohlo fungovat. V nejstarších galaxiích sice byly hvězdy, které se mohly zhroutit do černých děr, kolem prý ale nebylo dost materiálu k růstu supermasivních černých děr kvůli překotné tvorbě nových hvězd. A také nebylo dost času.

Volker Bromm. Kredit: : UT-Austin.

Bromm a Loeb v roce 2003 předpověděli, že by v raném vesmíru mohly supermasivní černé díry vzniknout jiným způsobem, nežli zhroucením obrovských hvězd. Na počátku podle nich byla ohromná mračna vodíku a hélia, která se koupala v moři ultrafialového záření. Tato mračna se mohla začít hroutit působení gravitace temné hmoty. Kdyby se něco takového stalo v dnešním vesmíru, tak by mračno bylo chladné a rozpadlo by se na jednotlivé zárodky hvězd. Jenže v době asi půl miliardy let po Velkém třesku byla taková mračna horká kvůli fotonům ultrafialového záření. Za těchto speciálních podmínek se tehdejší mračna vesmírného plynu hroutila, aniž by se rozpadala na menší kusy. Nakonec se ta mračna zhroutila přímo do ohromných černých děr. Loeb to přirovná k situaci, kdy se v porodnici objeví novorozenci o velikosti dospělých. V našich končinách to známe, Arabela by mohla vyprávět.

Superpočítač Stampede. Kredit: UT-Austin.

Teorie tedy byla a zbývalo už jenom takový objekt někde ve vesmíru objevit. Smith, Bromm a Loeb se soustředili na galaxii CR7 (Cosmos Redshift 7) z vesmíru starého pouhou 1 miliardu let, kterou nedávno objevil Hublleův vesmírný dalekohled v projektu COSMOS (Cosmic Evolution Survey). Galaxie CR7 je v některých ohledech velice zvláštní. Má například ve svém spektru několikrát jasnější čáru vodíku Lyman-alfa, a také jasnější čáru hélia, než by měla mít. Stejně tak naopak nemá ve spektru žádné stopy po prvcích těžších než hélium.

Jak asi vypadá galaxie CR7? Kredit: ESO / M. Kornmesser.

Když se podle badatelů dá všechno tohle dohromady, tak CR7 je buď ohromný shluk primordiálních hvězd anebo objekt s primordiální supermasivní černou dírou, která velmi pravděpodobně vznikla přímým kolapsem vesmírného plynu. Smith nakonec oba tyto scénáře prohnal superpočítačem Stampede z centra UT Austin's Texas Advanced Computing Center a dospěl k jednoznačnému závěru. Scénář se shlukem hvězd naprosto propadl a vítězem se stala supermasivní černá díra přímého kolapsu, jako nejpravděpodobnější vysvětlení poměrů v galaxii CR7. Pro vědce ještě zbývá spousta práce, zatím to ale vypadá dost nadějně. NASA navíc nedávno ohlásila objev dvou dalších možných supermasivních černých děr přímého kolapsu, které vystopovala vesmírná rentgenová observatoř Chandra.

Literatura
Phys.org 6. 7. 2016, arXiv:1602.07639, Wikipedia (Cosmos Redshift 7).