Visualisatie van de uitdijende bellen van reïoniserend gas na het ontstaan van de eerste sterren in het vroege heelal. Credit: Paul Geil & Simon Mutch/The University of Melbourne
Recente berekeningen van sterrenkundigen aan de vorming van de allereerste generatie van sterren in het vroege heelal laten zien dat de eerste sterren enorme massa’s hadden, tot wel 100.000 keer die van de zon. In dat vroege heelal, pakweg een paar honderd miljoen jaar na de oerknal, was de situatie anders dan vandaag de dag, je had enorme wolken van waterstof, het lichtste element dat kort na de oerknal was ontstaan, dé brandstof voor de vorming van sterren. Wil je uit die waterstofwolken zware sterren zien ontstaan dan moeten die wolken snel inkrimpen en daarbij niet te warm worden, want anders zorgt de warmte er voor dat verdere ineenstorting van de wolken wordt belemmerd. Je moet dus een manier hebben waarbij de warmte die door de krimp wordt veroorzaakt weer verdwijnt en dat kan door straling, waarbij de overtollige warmte wordt uitgestraald. Sterrenkundigen noemen dit fenomeen ‘koude accretie’. Onlangs hebben drie Japanse sterrenkundigen (o.a. Universiteit van Kyoto) simulaties uitgevoerd van die koude accretie en die lieten zien dat grote stromen koude, dichte materie een accretieschijf in het centrum van gigantische massa’s materie kunnen raken. Als dat gebeurt ontstaat er een schokgolf en die destabiliseert het gas snel en veroorzaakt de onmiddellijke ineenstorting van grote hoeveelheden materie. Dan kunnen tienduizenden tot wel honderdduizend zonsmassa’s in korte tijd ineenkrimpen en superzware sterren vormen, de eerste generatie van sterren in het heelal, ook wel de Populatie III sterren genoemd. Als zo’n wolk begint in te storten door koude accretie en de gegenereerde warmte kan door straling verdwijnen is er niets wat de verdere kollaps tot de superzware sterren kan tegenhouden. Met de Webb ruimtetelescoop doen ze pogingen om die Populatie III sterren waar te nemen.
Meer informatie vind je in het vakartikel van Masaki Kiyuna et al, First emergence of cold accretion and supermassive star formation in the early universe, arXiv (2023).
Bron: Phys.org.
Erg interessant. Omdat superzware zwarte gaten van een miljard zonsmassa al bestaan als het heelal zo’n 700 miljoen jaar oud is, lijkt hete accretie (zoals we dat bij quasars zien) onwaarschijnlijk als groeimechanisme. Veel van het gas wordt daar weggeblazen. Ze groeien te langzaam. Dus hoe worden sommige zwarte gaten zo vroeg al zo zwaar?
In plaats van hete accretie is al eerder ‘direct collaps’ voorgesteld. Hierbij storten in het vroege heelal koude wolken materie ineen waardoor de enorme pop. III sterren ontstaan, hierboven al besproken. Deze sterren zouden zonder te exploderen direct tot zwart gat ineenstorten als ze te zwaar worden (dat heeft weer te maken met hun opbouw uit bijna geheel waterstof, tevens de reden dat ze zo groot kunnen worden.) Ze blijven namelijk materie aangeleverd krijgen. Als ze dan te zwaar worden, storten ze ineen en verliezen hierbij geen massa. Geen supernova’s dus. Dat gaat dan om een enorme ster en dus een flink zwart gat van honderduizend zonsmassa, een intermediate zwart gat. Zo kan een zwart gat groot genoeg geboren worden om – misschien – tijd genoeg te hebben in een paar honderd miljoen jaar 10.000 keer zo zwaar te worden.
Toch bleef verhitting van het gas lang een probleem, ook omdat de protoster zelf juist niet teveel hitte moet verliezen. Dit paper lost de problemen voor een deel op. Er wordt niet gesteld dat koude accretie hèt mechanisme achter superzware zwarte gaten is, maar het werkt wel de voorwaarden uit die koude accretie nodig heeft.
De onderzoekers geven nog aan dat er, als het klopt wat ze zeggen, direct een aantrekkelijke tweede groeimogelijkheid is: als meerdere van deze stromen van koude, dichte materie samenkomen, kan dat wellicht de plek zijn waar die beginnende superzware zwarte gaten zich bevinden.