Czarne dziury są mistrzami łamania intuicji. Pochłaniają światło, zakrzywiają czas, a jak się okazuje – we wczesnym Wszechświecie mogły również naginać prawa fizyki, które dziś wydają się nienaruszalne. Najnowsze badania opublikowane na platformie arXiv sugerują, że pierwsze czarne dziury rosły znacznie szybciej, niż pozwala na to współczesna fizyka – dosłownie łamiąc tzw. granicę Eddingtona.
Potwory wśród galaktyk
W centrum naszej Drogi Mlecznej czai się Sagittarius A* – supermasywna czarna dziura o masie ponad 4 milionów Słońc. To jednak drobiazg w porównaniu z gigantami, takimi jak M87*, ważąca 6,5 miliarda mas Słońca, czy rekordziści przekraczający 40 miliardów mas Słońca.
Skąd wzięły się takie kolosy? Klasyczna teoria mówi, że powstają one powoli – w wyniku zlewania się mniejszych czarnych dziur oraz stopniowego „połykania” gazu i gwiazd. Problem w tym, że obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) pokazują coś, co burzy ten porządek.
Już pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu we Wszechświecie istniały czarne dziury o masach ponad miliarda Słońc. To zbyt szybko, by dało się to wytłumaczyć zwykłą ewolucją galaktyk.
Granica Eddingtona – kosmiczny limit wzrostu
Gdy czarna dziura „je”, wpadająca materia tworzy wokół niej rozżarzony dysk akrecyjny. Promieniowanie z tego dysku wytwarza ciśnienie, które odpycha część materii z powrotem w przestrzeń. W efekcie powstaje limit wzrostu, czyli tzw. granica Eddingtona.
To fizyczne „wąskie gardło” oznacza, że czarna dziura nie może rosnąć szybciej niż w określonym tempie – a to tempo po prostu nie wystarcza, by wytłumaczyć istnienie gigantów z młodego Wszechświata.
Wczesny kosmos: krótki okres bez reguł
Zespół naukowców postanowił sprawdzić, co by było, gdyby we wczesnym Wszechświecie granica Eddingtona… nie obowiązywała. W swoich symulacjach hydrodynamicznych zbadali okres tzw. ery ciemności – czasu między uformowaniem się pierwszych atomów a zapłonem pierwszych gwiazd.
W tych ekstremalnie gęstych warunkach, jak pokazują modele, czarne dziury mogły rosnąć w tempie super-Eddingtona, czyli przekraczając granice, które dziś byłyby niemożliwe. Materia była wtedy tak ściśnięta, że nie mogła uciec spod grawitacji czarnej dziury – w efekcie czarna dziura „tyła” błyskawicznie, aż do mas rzędu 10 tysięcy Słońc.
Kosmiczny sprint, który kończy się maratonem
Brzmi imponująco? Tak, ale tylko przez chwilę. Po krótkim okresie kosmicznego „łamania zasad” zaczyna działać sprzężenie zwrotne Eddingtona – i tempo wzrostu znowu spada. W długiej skali czasu czarne dziury, które rosły spokojnie, doganiają te, które na początku pędziły.
Jak ujęli to badacze, różnica przypomina wyścig Usaina Bolta i Eliuda Kipchoge: sprinter rusza szybciej, ale na końcu i tak wygrywa maratończyk.
Czarne dziury „z nasienia”
Jeśli więc nawet wzrost super-Eddingtona nie tłumaczy istnienia potężnych czarnych dziur z młodego kosmosu, pozostaje inna możliwość: powstały one z masywnych zalążków – tzw. czarnych dziur pierwotnych, które mogły narodzić się już w trakcie inflacji, chwilę po Wielkim Wybuchu.
To odważna hipoteza, ale coraz więcej danych z teleskopu JWST zdaje się ją wspierać. Jeśli to prawda, oznaczałoby to, że pierwsze czarne dziury istniały jeszcze zanim pojawiły się gwiazdy – i że Wszechświat od początku był areną dla ekstremalnych zjawisk.
Podsumowanie
Nowe badania pokazują, że młody Wszechświat był miejscem, gdzie prawa fizyki – przynajmniej chwilowo – traciły znaczenie. Czarne dziury rosły szybciej, niż pozwalają na to obecne modele, lecz ich przewaga nie trwała długo. To jednak nie koniec zagadki: jeśli giganty istniały już tak wcześnie, być może powstały jeszcze wcześniej, z samej tkanki kosmosu.
Wielki Wybuch mógł więc stworzyć nie tylko przestrzeń i czas – ale też pierwsze czarne dziury.