الفلك

هل يمكن العثور على الثقوب السوداء البدائية التي تدور حول نجوم أخرى؟

هل يمكن العثور على الثقوب السوداء البدائية التي تدور حول نجوم أخرى؟

تشير دراسة حديثة إلى أن الثقب الأسود البدائي قد يدور حول الشمس ويمكن أن يكون شائعًا بالقرب من أنظمة النجوم الأخرى.

ما هي القياسات والمعدات التي يمكن أن تجد BH بالقرب من النجوم الأخرى؟


تشكلت الثقوب السوداء البدائية بعد الانفجار الكبير مباشرة

أعلن العلماء ، الأربعاء ، أنه تم رصد زوج من الثقوب السوداء البدائية بعيدًا جدًا ، ومن المحتمل أنها تشكلت بعد وقت قصير نسبيًا من الانفجار العظيم.

يشير الشكل البدائي للثقوب السوداء إلى أنها نشأت عندما كان الكون مختلفًا كثيرًا عما هو عليه اليوم.

يُعتقد أن الانفجار العظيم قد شكل كوننا منذ حوالي 13.7 مليار سنة. يبدو أن الثقوب السوداء المكتشفة حديثًا تبعد حوالي 13 مليار سنة ضوئية عن الأرض ، مما يعني أن ضوءها قد سافر 13 مليار سنة للوصول إلى تلسكوباتنا. لذلك لا بد أن العلماء يرونها كما لو كانت بعد أقل من مليار سنة من ولادة الكون.

الثقوب السوداء هي أجسام ساطعة للغاية تسمى الكوازارات ، حيث تسقط المادة في الثقب الأسود وتطلق دفعات قوية من الضوء داخل الفضاء. لكن هذه الكوازارات ذات الكرات الفردية تفتقر إلى الغبار الساخن الذي نراه عادة في مثل هذه الأجسام.

هذا يخبر الباحثين أنه ربما تم تكوينهم في وقت مبكر من تاريخ الكون لدرجة أن الغبار لم يكن موجودًا بعد.

قال شياوهوي فان ، عالم الفلك بجامعة أريزونا: "نعتقد أن هذه الثقوب السوداء المبكرة تتشكل في الوقت الذي كان فيه الغبار يتشكل لأول مرة في الكون ، بعد أقل من مليار عام من الانفجار العظيم". "لم يكن الكون البدائي يحتوي على أي جزيئات يمكن أن تتخثر لتشكيل الغبار. تم إنتاج العناصر اللازمة لهذه العملية وضخها في الكون لاحقًا بواسطة النجوم."

قام فان وفريقه بتفصيل اكتشافهم في العدد الصادر في 18 مارس من مجلة Nature.

اكتشف الباحثون الكوازارات الخالية من الغبار ، المسماة J0005-0006 و J0303-0019 ، باستخدام تلسكوب Spitzer Space Telescope التابع لناسا ، والذي يراقب الكون في ضوء الأشعة تحت الحمراء. حتى الآن ، لم يتم رصد أي كوازارات بدون غبار في أي مكان في الكون.

كتبت عالمة الفلك جوليا ستراتا من مركز بيانات العلوم ASI في إيطاليا في مقال مصاحب في نفس العدد من مجلة Nature: "هذه نتيجة رائعة ومُحيرة ، لأنه كان يُعتقد أن انبعاث الغبار الساخن سمة موجودة في كل مكان للكوازارات". ستراتا لم تشارك في هذا البحث. "هذه النجوم الزائفة الخالية من الغبار على ما يبدو ليس لها نظائر [قريبة]."

جانب آخر غريب من الثقوب السوداء هو أنها الأصغر في عينة الكوازارات البعيدة الأخرى التي تم العثور عليها. هذان الاثنان لهما كتل من حوالي 200 مليون إلى 300 مليون شمس ، في حين أن بقية أقرانهم يزنون أكثر بشكل عام.

يقول الباحثون إن هذا الدليل يشير أيضًا إلى أن هذه النجوم الزائفة صغيرة جدًا وفي مرحلة مبكرة من التطور.

وقالت الباحثة المشاركة ماريان فيسترجارد ، عالمة الفيزياء الفلكية بجامعة كوبنهاغن في الدنمارك: "يبدو أننا وجدنا ما يُرجح أنه الجيل الأول البدائي من النجوم الزائفة ، التي ولدت في وسط خالٍ من الغبار بعد وقت قصير من الانفجار العظيم". "إنه لأمر رائع أننا نشهد هذا التراكم للثقوب السوداء وكمية العناصر الأثقل في شكل غبار."

فقط لأن الكوازارات ساطعة جدًا لدرجة أن هذه الأجسام الشابة القريبة من أفق كوننا تكون مرئية.

قال فان: "تبعث الكوازارات كمية هائلة من الضوء ، مما يجعلها قابلة للاكتشاف حرفياً على حافة الكون المرئي".


البحث عن إجابات في الكون

يدرس مشروع أوليفيا روس إمكانية اكتشاف الثقوب السوداء البدائية باستخدام النجوم النابضة. أثار شغفها بالمشاريع الكبيرة والصعبة وصرامة أسلوبها العلمي ، إعجاب معلمها بالكلية ستيفانو بروفومو.

أوليفيا و # 160 روس تخرجت بامتياز مع مرتبة الشرف في صيف 2020. إنها حريصة على بدء العمل هذا الخريف في جامعة كورنيل ودكتوراه # 8217s. برنامج في علم الفلك.

في السنة الثانية من دراستها الثانوية ، تعلمت أوليفيا روس (Kresge '20 ، الفيزياء الفلكية) ، الحائزة على جائزة Steck Family المرموقة رقم 8217s ، توجيه طاقات القلق إلى المساعي العلمية. & # 160

& # 8220 وجهت كل لحظات مراهقتي الوجودية الغاضبة لـ & # 8216 ماذا يعني كل هذا؟ & # 8217 نحو التعرف على تاريخ الكون ، & # 8221 روس قال. & # 8220 أعني ، ما & # 8217s أكثر وجودية من ذلك؟ & # 8221

قوة الحياة المعاد توجيهها تدفعها إلى الأمام. أثناء التحاقها بمدرسة سانتا روزا الثانوية كطالبة في المنزل ، حصلت أيضًا على درجات الزمالة & # 8217s في الرياضيات والهندسة والعلوم الطبيعية والفيزياء من كلية سانتا روزا جونيور ، بينما كانت تحتفظ بوظيفة بدوام جزئي. & # 160 & # 160

& # 8220 بالطبع ، اعتقد الجميع أنني مجنون ، ولهذا السبب على الأرجح فعلت ذلك ، & # 8221 روس قال.

لإنجاز هذا العمل الفذ ، كرست روس نفسها للكلية في أيام الأسبوع ، ودراسات المدرسة الثانوية في عطلات نهاية الأسبوع. تخرجت من المدرسة الثانوية والكلية الإعدادية في يونيو 2017 عندما كانت في الثامنة عشرة من عمرها. & # 160

زاد هذا الطموح المركّز في جامعة كاليفورنيا بسانتا كروز ، عندما تولت روس مهام أكثر صعوبة ، بما في ذلك مشروع أطروحتها الشهيرة ، & # 8220 البحث عن الثقوب السوداء البدائية ، & # 8221 التي أثارت إعجاب الحكام ببراعتها وابتكارها. & # 160 & # 160

يدرس مشروعها ، بالتعاون مع معلمها بالكلية ستيفانو بروفومو ، أستاذ الفيزياء ومدير الدراسات العليا في قسم الفيزياء بجامعة كاليفورنيا بسانتا كروز & # 8217 ، إمكانية اكتشاف الثقوب السوداء البدائية باستخدام النجوم النابضة.

أبهرت بروفومو شغف روس بالمشروعات الكبيرة والصعبة وصرامة أسلوبها العلمي.

& # 160 & # 8220 هي ، ببساطة ، جوهرة واحدة في جيل ، & # 8221 Profumo كتب في فبراير ، في خطاب توصية لجوائز Dean & # 8217s و Chancellor & # 8217s ، وكلاهما حصل على روس. & # 160 & # 160

وصفتها بروفومو بـ & # 8220an الباحث الموهوب بشكل استثنائي ، وباحثة شجاعة ومتحمسة وذكية بشكل استثنائي ، ومن الواضح أنها متعاونة جيدة بشكل لا يصدق. & # 8221 & # 160

تُمنح جائزة Steck مرة واحدة سنويًا لأحد الطلاب الجامعيين في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز ، وتُمنح جائزة البحث الأكثر تميزًا من بين الحائزين على جائزة 15 Chancellor & # 8217s. تكرم الجائزة أيضًا رعاية وعمل وتوجيه معلم هيئة التدريس المتفوق. & # 160

وصف لورين ستيك (Porter '73) ، أحد أمناء مؤسسة UC Santa Cruz ، الجائزة بأنها شرف خاص حقًا لطلاب UCSC: "فقط أفضل الطلاب الجامعيين في الوقت الحاضر يقومون بأطروحات عليا" ، قال Steck. "فقط أفضل الأفضل منهم يحصلون على جوائز Dean & # 8217s. فقط أفضل الأفضل منهم يحصلون على جوائز Chancellor & # 8217s."

روح قلقة & # 160

لقد غذت المخاطر والطموح روس منذ أن اتخذت الخطوات الأولى نحو أن تصبح عالمة في سن الثالثة. كان ذلك عندما أصبحت مهووسة بالرياضيات لأول مرة ، وهو الشغف الذي قادها نحو العلوم في المدرسة الثانوية ، حيث أدركت أن مجموعات المشاكل الصعبة يمكن أن تكون التجارب المعملية منافذ عاطفية وفكرية.

لم يختر روس الطريق الأسهل أبدًا. إذا كان هناك أي شيء ، فهي تختار دائمًا المنحدر الأكثر انحدارًا والأكثر انزلاقًا. & # 160

بعد المدرسة الثانوية ، أخذ روس بعض الوقت المستحق للسفر عبر 33 من الولايات المتحدة وقطعة صغيرة من كندا على مدى أربعة أشهر ، ثم أمضى ثلاثة أشهر في حقائب الظهر في أوروبا ، بما في ذلك رحلة كامينو دي سانتياغو. & # 160

عند وصوله إلى جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز في عام 2018 ، مر روس بأزمة هوية أكاديمية. لم تكن متأكدة مما إذا كانت ستطلق على نفسها اسم طالبة في السنة الأولى أم أنها منقولة. لكن سرعان ما وقعت مع بعض الأصدقاء الجيدين ، وفقدت نفسها في الغابات الحمراء الهادئة ، وبدأت مشروعها مع Profumo. & # 160

ساعدها دعمه في التغلب على قلقها الأولي. & # 8220 لقد شعرت بالرعب الشديد عندما بدأت البحث ، & # 8221 قال روس. & # 8220 ليس لدي أي فكرة عن كيفية القيام بأي منها. كان طلاب الدراسات العليا والأساتذة رائعين للغاية ومخيفين ، ولم أتمكن من قراءة ورقة علمية لإنقاذ حياتي. & # 160

"[لكن] ستيفانو هو معلم داعم لجميع طلابه ، & # 8221 روس قال. & # 8220I & # 8217m محظوظ جدًا لكونه مستشارًا. & # 8221

كان روس قد علم بأبحاث Profumo & # 8217 وكان حريصًا على بدء العمل معه في أقرب وقت ممكن. كانت لديها رؤية واضحة لما أرادت العمل عليه: السؤال عما إذا كانت الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تكون مادة مظلمة أم لا ، كما يتذكر بروفومو. & # 160

& # 8220 لقد تأثرت كثيرًا بتصميمها وشغفها وسعدت عندما بدأت العمل مع أفضل طالب دراسات عليا لدي ، بنجامين ليمان ، في مشروع يتضمن الالتقاط الثقالي للثقوب السوداء في الكواكب ، وعلى نطاق أوسع ، الأنظمة الثنائية ، & # 8221 قال بروفومو.

التغلب على العقبات # 160

لكن روس ، على الرغم من عملها الشاق وتحفيزها الذاتي ، واجهت عقبات على طول الطريق ، بما في ذلك اضطرابات المزاج. خلال ذروة مسيرتها الأكاديمية في جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز ، حيث التحقت في عام 2018 ، قضت ساعات طويلة أثناء التعامل مع الإجهاد.

قال روس & # 8220I & # 8217ve دائمًا ما كنت أعاني من القلق والاكتئاب. "لذا فقد تحولت الأوقات التي كنت بالكاد أنجز فيها واجبي المنزلي لأنني استغرقت كل قوتي للنهوض من السرير أو عندما كنت قلقًا للغاية لم أستطع & # 8217t حتى أن أنظر إلى مستشاري دون خوف ، كان من الصعب بالطبع إنجاز عملي.

& # 8220 لكنني & # 8217 تعلمت بعض الأشياء ، وأشار # 8221 روس. & # 8220 إتمام اجتماع لأنك & # 8217t أنجزت أي شيء سيجعلك دائمًا أقل إنتاجية. فقط أخبر مستشارك أنك بحاجة إلى مزيد من التوجيه وحاول مرة أخرى. ثانيًا ، الأساتذة وطلاب الدراسات العليا هم بشر حقيقيون ، على دراية بالأمراض العقلية عمومًا.

& # 8220 إذا كنت & # 8217 مريض ، يمكنك إخبارهم. أنا & # 8217m ما زلت أعمل على ذلك. لكن بالنسبة لي ، فإن تعلم التحدث عن الأمراض العقلية مثل أي مرض آخر كان له تأثير كبير على حياتي الشخصية والمهنية. & # 8221

  في البحث عن الثقوب السوداء البدائية

يطرح مشروع أطروحة Ross & # 8217s بعد الثقوب السوداء البدائية ، والتي سميت بهذا الاسم لأنها تشكلت بعد وقت قصير جدًا من الانفجار العظيم. & # 160

& # 8220 الثقوب السوداء التي اعتدنا على سماعها عن شكلها من موت النجوم ، ولأن النجوم تتصرف بطرق معينة ، فهناك قيود صارمة على أنواع الثقوب السوداء التي تنتجها في وفاتها ، وأوضح روس # 8221. & # 8221 روس. & # 8220. # 160 و # 160

ومع ذلك ، فإن الثقوب السوداء التي تشكلت خلال التاريخ المبكر للكون & # 8212 الثقوب السوداء الأولية & # 8212 لا يجب أن تقع ضمن هذه القيود. & # 160

& # 8220 يمكن أن تكون صغيرة مثل رأس دبوس أو كبيرة مثل 100 شمس ، & # 8221 قالت. & # 160

أصبح البحث عن هذه الأشياء البدائية الصغيرة المحتملة هو الأحدث في قائمة روس & # 8217 التي لا نهاية لها من المهام الشاقة. اختارت موضوعًا كانت تعلم أنه سيختبرها. & # 160

& # 8220 السؤال هو ، كيف تبحث عن شيء لا يمكنك رؤيته؟ & # 8221 سألت.

قرر روس وبن ليمان ، طالب الدراسات العليا الذي كانت تعمل معه ، استخدام النجوم النابضة كأداة للبحث عن الثقوب السوداء البدائية. النجوم النابضة & # 8212 ، وهي نجوم نيوترونية متبقية عندما يتحول النجم إلى مستعر أعظم ولكنه ليس كبيرًا بما يكفي لتشكيل ثقب أسود & # 8212 شعاع من الضوء ، & # 8220 يسمح لنا برؤية شيء ما يدور حول نجم نابض دون رؤية الجسم نفسه . & # 8221


المادة المظلمة قد تكون مصنوعة من ثقوب سوداء بدائية

هل يمكن أن تكون المادة المظلمة - المادة المراوغة التي تشكل معظم الكون المادي - مصنوعة من الثقوب السوداء؟ بدأ بعض علماء الفلك في الاعتقاد بأن هذا الاحتمال المحير أكثر وأكثر احتمالًا.

يعتقد ألكسندر كاشلينسكي ، عالم الفلك في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في ولاية ماريلاند ، أن الثقوب السوداء التي تشكلت بعد الانفجار الكبير بفترة وجيزة يمكن أن تفسر بشكل مثالي ملاحظات موجات الجاذبية ، أو التموجات في الزمكان ، التي قام بها مقياس التداخل الليزري لموجة الجاذبية. المرصد (LIGO) العام الماضي ، وكذلك الملاحظات السابقة للكون المبكر.

إذا كان كاشلينسكي على صواب ، فربما تكون المادة المظلمة مكونة من هذه الثقوب السوداء البدائية ، وقد تكون جميع المجرات مطمورة في مجال واسع من الثقوب السوداء ، وربما تطور الكون المبكر بشكل مختلف عما كان يعتقده العلماء. [شاهد الفيلم الوثائقي LIGO "LIGO ، شغف للتفاهم"]

في عام 2005 ، استخدم كاشلينسكي وزملاؤه تلسكوب سبيتزر الفضائي التابع لناسا لاستكشاف توهج الخلفية لضوء الأشعة تحت الحمراء الموجود في الكون. نظرًا لأن الضوء المنبعث من الأجسام الكونية يستغرق وقتًا محدودًا للسفر عبر الفضاء ، فإن علماء الفلك على الأرض يرون الأشياء البعيدة بالطريقة التي بدت بها تلك الأجسام في الماضي. أراد كاشلينسكي ومجموعته التطلع نحو الكون المبكر ، أبعد من ذلك حيث يمكن للتلسكوبات أن تلتقط مجرات فردية.

قال كاشلينسكي لموقع ProfoundSpace.org "لنفترض أنك نظرت إلى مدينة نيويورك من بعيد". "لا يمكنك رؤية أعمدة الإنارة أو المباني الفردية ، ولكن يمكنك رؤية هذا الضوء المنتشر التراكمي الذي تنتجه."

عندما أزال الباحثون كل الضوء من المجرات المعروفة في جميع أنحاء الكون ، لا يزال بإمكانهم اكتشاف الضوء الزائد - توهج الخلفية من المصادر الأولى لإضاءة الكون منذ أكثر من 13 مليار سنة.

بعد ذلك ، في عام 2013 ، استخدم كاشلينسكي وزملاؤه مرصد شاندرا للأشعة السينية التابع لناسا لاستكشاف توهج الخلفية في جزء مختلف من الطيف الكهرومغناطيسي: الأشعة السينية. ولدهشتهم ، فإن الأنماط الموجودة في خلفية الأشعة تحت الحمراء تتطابق تمامًا مع الأنماط الموجودة في خلفية الأشعة السينية.

وقال كاشلينسكي: "المصادر الوحيدة القادرة على إنتاج هذا في كل من الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية هي الثقوب السوداء". "لم يخطر ببالي قط في ذلك الوقت أن هذه الثقوب السوداء البدائية".

ثم كان هناك اكتشاف LIGO. في 14 سبتمبر 2015 ، قام المرصد بأول اكتشاف مباشر على الإطلاق لموجات الجاذبية - التموجات الكونية في نسيج الزمكان نفسه - التي نتجت عن اصطدام زوج من الثقوب السوداء. لقد كانت بداية حقبة جديدة من الاكتشاف - حقبة يمكن فيها لعلماء الفلك جمع هذه الإشارات الفريدة الناتجة عن أحداث فلكية قوية ، وللمرة الأولى ، اكتشاف الثقوب السوداء مباشرةً (بدلاً من رؤية المادة المضيئة حول الثقوب السوداء).

لكن سايمون بيرد ، عالم الفلك في جامعة جونز هوبكنز ، تكهن بأن هذا الاكتشاف يمكن أن يكون أكثر أهمية. اقترح بيرد أن الثقوب السوداء التي اكتشفها ليجو يمكن أن تكون بدائية.

لا تتشكل الثقوب السوداء البدائية من انهيار نجم ميت (الآلية الأكثر شيوعًا لتشكيل الثقب الأسود والتي تحدث في وقت متأخر نسبيًا في تاريخ الكون). وبدلاً من ذلك ، تشكلت الثقوب السوداء البدائية بعد فترة وجيزة من الانفجار العظيم عندما انتشرت الموجات الصوتية في جميع أنحاء الكون. المناطق التي تكون فيها هذه الموجات الصوتية أكثر كثافة يمكن أن تنهار لتشكل الثقوب السوداء.

إذا كان هذا الفكر يجعل رأسك يدور قليلاً ، فقط فكر في تدوير عجينة البيتزا في قرص. قال كاشلينسكي: "بعد فترة ، ستلاحظ وجود هذه الثقوب في قوام عجينة البيتزا". "إنه نفس الشيء مع الزمكان" ، باستثناء تلك الثقوب هي ثقوب سوداء بدائية.

في الوقت الحالي ، لا تزال هذه الثقوب السوداء البدائية افتراضية. لكن كاشلينسكي ، الذي أعجب باقتراح بيرد ، أخذ بالفرضية خطوة إلى الأمام. في ورقته البحثية الجديدة ، التي نُشرت في 24 مايو في The Astrophysical Journal Letters ، بحث كاشلينسكي في العواقب التي قد تترتب على هذه الثقوب السوداء البدائية على تطور الكون. (ليس بيرد هو أول عالم يقترح أن المادة المظلمة قد تتكون من ثقوب سوداء ، على الرغم من أن هذه الأفكار لا تتضمن ثقوبًا سوداء بدائية).

قال كاشلينسكي إنه خلال أول 500 مليون سنة من تاريخ الكون ، انهارت المادة المظلمة إلى كتل تسمى الهالات ، والتي وفرت بذور الجاذبية التي من شأنها أن تمكن المادة فيما بعد من التراكم وتشكيل النجوم والمجرات الأولى. ولكن إذا كانت هذه المادة المظلمة تتكون من ثقوب سوداء بدائية ، فإن هذه العملية كانت ستخلق المزيد من الهالات.

يعتقد كاشلينسكي أن هذه العملية يمكن أن تفسر كلاً من الخلفية الكونية للأشعة تحت الحمراء الزائدة وخلفية الأشعة السينية الكونية الزائدة التي لاحظها هو وزملاؤه منذ عدة سنوات.

سيأتي توهج الأشعة تحت الحمراء من أقدم النجوم التي تشكلت داخل الهالات. على الرغم من أن النجوم تشع ضوءًا ضوئيًا وفوق بنفسجي ، فإن توسع الكون يمد هذا الضوء بشكل طبيعي بحيث تظهر النجوم الأولى لعلماء الفلك على الأرض لإصدار ضوء الأشعة تحت الحمراء. وقال إنه حتى بدون الهالات الإضافية ، يمكن أن تولد النجوم المبكرة توهجًا بالأشعة تحت الحمراء ، ولكن ليس بالقدر الذي لاحظه كاشلينسكي وزملاؤه.

الغاز الذي خلق تلك النجوم كان من الممكن أن يكون قد سقط أيضًا على الثقوب السوداء البدائية ، حيث ترتفع درجة حرارته إلى درجات حرارة عالية بما يكفي لإثارة الأشعة السينية. بينما يمكن تفسير الخلفية الكونية للأشعة تحت الحمراء - وإن كان ذلك بدرجة أقل - دون إضافة ثقوب سوداء بدائية ، فإن الخلفية الكونية للأشعة السينية لا يمكن تفسيرها. الثقوب السوداء البدائية تربط الملاحظتين معًا

قال كاشلينسكي: "كل شيء يتلاءم بشكل رائع".

من حين لآخر ، كانت تلك الثقوب السوداء البدائية تقترب بما يكفي لبدء الدوران حول بعضها البعض (ما يعرف بالنظام الثنائي). بمرور الوقت ، سيتصاعد هذان الثقبان الأسودان معًا ويصدران موجات ثقالية ، مثل تلك التي اكتشفها ليجو. لكن هناك حاجة إلى مزيد من ملاحظات الثقوب السوداء لتحديد ما إذا كانت هذه الأجسام بدائية أم أنها تشكلت لاحقًا في تاريخ الكون.


قد تدور آلاف الكواكب الخارجية حول ثقوب سوداء فائقة الكتلة

مفهوم الفنان & # 8217s للثقب الأسود بقرص الغاز والغبار المحيط به اللامع & # 8211 والنفاثات الممتدة من أقطابها & # 8211 بالإضافة إلى العديد من الكواكب المدارية. الصورة عبر جامعة كاجوشيما / NAOJ.

الكواكب الخارجية & # 8211 عوالم تدور حول نجوم أخرى & # 8211 شائعة ، حيث يقدر وجود المليارات في مجرتنا وحدها. تم العثور عليها & # 8217 حول جميع أنواع النجوم ، بما في ذلك النجوم الشبيهة بالشمس والأقزام الحمراء وحتى النجوم النابضة. يبدو أيضًا أن هناك كواكب شريرة ، لا تدور حول أي نجوم ، ولكنها بدلاً من ذلك تتجول وحيدة على الرغم من الفضاء بين النجوم. وتقترح دراسة جديدة الآن أنه قد يكون هناك فئة أخرى جديدة تمامًا من الكواكب ، تدور حول فائقة الكتلة الثقوب السوداء.

تم الإعلان عن النتائج المثيرة للاهتمام من قبل باحثين في جامعة كاجوشيما والمرصد الفلكي الوطني لليابان في 25 نوفمبر 2019. نُشرت الدراسة الجديدة التي راجعها الأقران في مجلة الفيزياء الفلكية في 26 نوفمبر 2019.

يبدو الأمر وكأنه شيء من الخيال العلمي ، ولكن وفقًا للباحثين ، فإن الثقوب السوداء التي تحتوي على أقراص ضخمة من الغبار والغاز تحيط بها (تسمى الأقراص النووية المحيطة) ، تمامًا مثل أقراص الكواكب الأولية حول النجوم الشابة ، يمكن أن تنتج الكواكب & # 8211 الكثير من & # 8211 تمامًا مثل الأقراص الموجودة حول النجوم. يمكن أن تحتوي الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs) بالآلاف يقول الباحثون إن الكواكب التي تدور حولها. على الرغم من أن الكواكب تدور حول الثقب الأسود ، فمن المحتمل أن تكون بعيدة جدًا عن الثقب الأسود نفسه ، حوالي 10 سنوات ضوئية. من الورق:

كنتيجة طبيعية للعمليات الأولية لنمو الغبار ، اكتشفنا أنه يمكن تكوين فئة جديدة من الكواكب حول الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs). لقد بحثنا في مسار نمو من مونومرات الغبار الجليدية ذات الحجم الصغير إلى أجسام بحجم الأرض خارج & # 8220 خط ثلجي ، & # 8221 حددت عدة فرسخ فلكي من SMBHs في نوى مجرة ​​نشطة منخفضة السطوع (AGNs).

محاكاة ثقب أسود فائق الكتلة. تعمل الجاذبية الشديدة على تشويه الخلفية المرصعة بالنجوم والتقاط الضوء ، مما ينتج عنه صورة ظلية للثقب الأسود. الصورة عبر خلفية مركز رحلات الفضاء التابع لناسا / جودارد ، ESA / Gaia / DPAC.

كما قال كييتشي وادا ، الأستاذ بجامعة كاجوشيما ، في بيان:

في ظل الظروف المناسبة ، يمكن أن تتشكل الكواكب حتى في البيئات القاسية ، مثل حول الثقب الأسود.

قال Eiichiro Kokubo ، الأستاذ في المرصد الفلكي الوطني في اليابان:

تُظهر حساباتنا أن عشرات الآلاف من الكواكب التي تبلغ كتلتها 10 أضعاف كتلة الأرض يمكن أن تتشكل على بعد 10 سنوات ضوئية من ثقب أسود. حول الثقوب السوداء قد توجد أنظمة كوكبية ذات حجم مذهل.

أول صورة على الإطلاق لثقب أسود ، في وسط المجرة M87 ، تم التقاطها بواسطة Event Horizon Telescope. الثقب الأسود أكبر بمقدار 6.5 مليار مرة من كتلة الشمس. الحلقة الساطعة منحنية بضوء الثقب الأسود وجاذبية الثقب الأسود # 8217. الصورة عبر Event Horizon Telescope Collaboration / NASA.

يمكن أن تكون كمية الغبار المحيطة بالثقب الأسود الهائل هائلة ، حيث تصل إلى مائة ألف مرة كتلة شمسنا ، أو حوالي مليار مرة أكثر من قرص كوكبي أولي نموذجي.

كيف تتشكل الكواكب في مثل هذه البيئة؟

في قرص حول ثقب أسود ، يكون الغبار كثيفًا لدرجة أنه يحجب الإشعاع من الثقب الأسود نفسه. يسمح هذا بدرجات حرارة باردة بدرجة كافية حتى تلتصق حبيبات الغبار الجليدية ببعضها وتتجمع ، تمامًا كما يحدث في الأقراص الكوكبية الأولية حول النجوم. قدر الباحثون أن الكواكب يمكن أن تتكون في عدة مئات من ملايين السنين بهذه الطريقة حول الثقوب السوداء.

يمكن اكتشاف مثل هذه الكواكب ذات الثقب الأسود & # 8217t بشكل مباشر باستخدام التلسكوبات الحالية ، لكن النتائج تفتح مجالًا جديدًا مبدئيًا ورائعًا للدراسة. من الورق:

يجب أن تكون مراقبة الكواكب حول SMBHs صعبة. التقنيات القياسية لاكتشاف الكواكب الخارجية حول النجوم ، مثل مطيافية دوبلر ، أو قياس الضوء العابر ، أو عدسة الجاذبية الدقيقة ، أو التصوير المباشر هي تقنيات ميؤوس منها. قد يكون القياس الضوئي بواسطة مقياس تداخل للأشعة السينية الصلبة في الفضاء حلاً محتملاً ، ولكن إخفاء قرص التراكم بواسطة & # 8220planets & # 8221 سيكون من الصعب تمييزه عن التغير الزمني الجوهري للنواة المجرية النشطة. الطريقة الأخرى غير المباشرة هي اكتشاف التغيرات الطيفية في الطول الموجي المليمتر بسبب اختلاف العتامة المرتبط بنمو الغبار كما هو مستخدم في قرص الكواكب الأولية.

من المعروف بالفعل أن النجوم يمكنها أيضًا أن تدور حول الثقوب السوداء ، مثل تلك التي تدور حول الثقب الأسود الهائل & # 8211 تسمى القوس A * & # 8211 في مركز مجرتنا.

صورة بالأشعة السينية لمركز مجرتنا ، حيث يوجد الثقب الأسود الهائل القوس A *. الصورة عبر الأشعة السينية: NASA / UMass / D.Wang et al.، IR: NASA / STScI.

الثقوب السوداء ليست ثقوبًا حقًا ، لكن الأجسام التي لها جاذبية تسحب بقوة بحيث لا يمكن لأي شيء ، ولا حتى الضوء ، الهروب. يُطلق على سطح الثقب الأسود & # 8221 اسم أفق الحدث ، وهو الحد الذي تتجاوز فيه السرعة اللازمة للهروب سرعة الضوء. تسقط المادة والإشعاع ، لكنهما لا يستطيعان الخروج.

هناك فئتان رئيسيتان من الثقوب السوداء. الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية تساوي ثلاثة إلى عشرات المرات من كتلة الشمس. الثقوب السوداء الهائلة التي تمت مناقشتها بالفعل تتراوح بين 100000 إلى مليارات من الكتل الشمسية ، وتقع في مراكز معظم المجرات الكبيرة ، بما في ذلك مجرتنا. قد يكون هناك أيضًا ثقوب سوداء متوسطة الكتلة ، حوالي 100 إلى أكثر من 10000 كتلة شمسية. هناك مرشحون ، لكن لم يتم التأكد من وجودهم بعد.

الخلاصة: يمكن أن تحتوي الثقوب السوداء الهائلة على آلاف الكواكب الخارجية التي تدور حولها ، وفقًا لدراسة جديدة من اليابان.


يمكن أن توفر التلسكوبات الفضائية صورًا من المستوى التالي لآفاق حدث الثقب الأسود

الثقب الأسود لـ M87 مع خطوط المجال المغناطيسي. الائتمان: تعاون EHT

بالعودة إلى عام 2019 ، تم التعامل مع العالم بأول صورة على الإطلاق لثقب أسود ، والتي تم التقاطها في الأصل عام 2017. وقد تم الإعلان عن هذا الإنجاز على نطاق واسع باعتباره قفزة إلى الأمام في مجال الفيزياء الفلكية ، مما يدعم نظرية النسبية لأينشتاين. الآن ، يقترح فريق بقيادة جامعة رادبود إرسال أدوات إلى الفضاء لتقدير معلمات الثقب الأسود بدقة أكبر بترتيب من حيث الحجم. أحدث ورقة ، بقيادة الدكتور فولوديمير كودرياشوف ، تترجم الأهداف العلمية إلى متطلبات تقنية وتركز على الأجهزة اللازمة لتصوير أفق الحدث ، كما تسمى المهمة.

تنظر الورقة بشكل أساسي في تسجيل البيانات من الثقوب السوداء "الأسهل في الالتقاط" ، على الرغم من أنه من الممكن تصوير كائنات أخرى وإنشاء أفلام للثقوب السوداء تصور الثقوب السوداء أثناء العمل. كدليل على المفهوم ، التقط الفريق بعض الصور الأولية للثقوب السوداء "الأسهل" وأكد أن إعادة بناء الصورة ستعمل من أجل دقة أعلى. الآن ، يواجه المشروع أكبر عقبة في معظم مهام الفضاء - الإطلاق ، ويفضل أن يكون ذلك بميزانية.

تتطلب المهمة نفسها قمرين صناعيين منفصلين يدوران في مدار حول الأرض على بعد حوالي 26000 كم (16000 م) من بعضهما البعض. قد تكون روابط البيانات عبر هذه المسافات الطويلة مشكلة ، لذلك طور الفريق نظامًا للتعامل مع البيانات "الخام" المعتادة. سيعزز هذا النظام الجديد كلاً من نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الموجود على متن الطائرة والليزر بين أقمار التلسكوب الصناعية وسيسمح بالبيانات معدل العودة إلى الأرض ضئيل. يبدو استخدام الاتصال البصري بين الأقمار الصناعية ممكنًا إذا تجنب النظام خطرًا محتملاً واحدًا من مثل هذه الأنظمة البصرية - كسر السحب لخط البصر. لحسن الحظ ، وجد الفريق الكثير من تقنيات الليزر بين الأقمار الصناعية ذات الصلة لتحديد المدى و التواصل ، بما في ذلك بعض التي تحلق بالفعل في الفضاء الآن.

طريقة كيف يمكن أن تتلاءم EHI مع صاروخ Arianne 6 ، مع وجود مساحة لتجنيبها. الائتمان: كودرياشوف وآخرون.

سيكون مثل هذا النظام يستحق العناء إذا التقط البيانات التي يمكن استخدامها لمقارنة نظريات الجاذبية المتنافسة التي قسمت مجتمع الفيزياء لعقود. على الرغم من عدم وجود خطط ملموسة لإطلاق نظام مشابه لـ EHI في أي وقت قريب ، فإن تصوير الثقوب السوداء من الفضاء هو من بين توصيات اللجنة العليا في Voyage 2050 ESA ، لذا فإن مثل هذا النظام موجود بالفعل على خارطة الطريق طويلة المدى للمجتمع الفلكي.


ربما ساعدت التفاعلات البدائية في الثقوب السوداء والنيوترونية على تكوين أثقل العناصر في الكون

في ورقة تنشر في المجلة رسائل المراجعة البدنية (arXiv.org preprint) ، البروفيسور جورج فولر من جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، والمؤلفون المشاركون أظهروا أن اضطرابات النجوم النيوترونية بواسطة الثقوب السوداء البدائية في البيئات الغنية بالمادة المظلمة ، مثل مركز المجرة والمجرات الكروية القزمية ، توفر موقعًا قابلاً للتطبيق للالتقاط السريع للنيوترونات (عملية r) التخليق النووي ، وهي مجموعة من التفاعلات في الفيزياء الفلكية النووية المسؤولة عن تكوين نصف العناصر الأثقل من الحديد في الكون.

يوضح تصور هذا الفنان أحد أكثر الثقوب السوداء فائقة الكتلة بدائية والمعروفة في قلب مجرة ​​شابة غنية بالنجوم. رصيد الصورة: NASA / JPL-Caltech.

يحب علماء الفيزياء الفلكية أن يقولوا إننا المنتجات الثانوية للنجوم ، الأفران النجمية التي دمجت الهيدروجين والهيليوم منذ فترة طويلة في العناصر اللازمة للحياة من خلال عملية التخليق النووي النجمي. ولكن ماذا عن العناصر الأثقل في المخطط الدوري ، عناصر مثل الذهب والبلاتين واليورانيوم؟

يعتقد العلماء أن معظم عناصر "العملية r" قد تم إنشاؤها ، إما في أعقاب انهيار النجوم الضخمة وانفجارات المستعر الأعظم المصاحبة ، أو في اندماج أنظمة النجوم الثنائية النيوترونية.

"كان هناك حاجة إلى نوع مختلف من الأفران لتشكيل الذهب والبلاتين واليورانيوم ومعظم العناصر الأخرى الأثقل من الحديد. قال البروفيسور فولر: "من المرجح أن تكون هذه العناصر في بيئة غنية بالنيوترونات".

يقدم البروفيسور فولر وزملاؤه & # 8212 Alex Kusenko و Volodymyr Takhistov ، علماء الفيزياء الفلكية النظرية في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس & # 8212 وسيلة أخرى يمكن أن تنتج النجوم بواسطتها هذه العناصر الثقيلة: الثقوب السوداء البدائية الصغيرة التي تلامست و يتم التقاطها بواسطة النجوم النيوترونية ، ثم تدميرها.

يعتقد العديد من علماء الفيزياء الفلكية أن الثقوب السوداء البدائية يمكن أن تكون نتيجة ثانوية للانفجار العظيم وأنها يمكن أن تشكل الآن جزءًا صغيرًا من المادة المظلمة.

إذا كانت هذه الثقوب السوداء الصغيرة تتبع توزيع المادة المظلمة في الفضاء وتعايشت مع النجوم النيوترونية ، يؤكد البروفيسور فولر وزملاؤه في الورقة البحثية أن بعض الفيزياء المثيرة للاهتمام ستحدث.

يحسب الفريق أنه في حالات نادرة ، يلتقط النجم النيوتروني مثل هذا الثقب الأسود ثم يلتهمه من الداخل إلى الخارج. يمكن أن تؤدي هذه العملية العنيفة إلى طرد بعض مادة النجوم النيوترونية الكثيفة في الفضاء.

يمكن للثقوب السوداء الصغيرة الناتجة عن الانفجار العظيم أن تغزو نجمًا نيوترونيًا وتلتهمه من الداخل. قال البروفيسور فولر: "في الملي ثانية الأخيرة من زوال النجم النيوتروني ، فإن كمية المواد المقذوفة الغنية بالنيوترونات كافية لتفسير الوفرة المرصودة للعناصر الثقيلة".

"عندما تلتهم النجوم النيوترونية ، فإنها تدور وتخرج مادة نيوترونية باردة ، مما يؤدي إلى فك الضغط ، وتسخينه ، وتشكيل هذه العناصر."

بالإضافة إلى ذلك ، حسب الفريق أن طرد المادة النووية من الثقوب السوداء البدائية التي تلتهم النجوم النيوترونية من شأنه أن ينتج ثلاث ظاهرة أخرى غير مبررة لاحظها علماء الفلك.

"إنها عرض مميز لضوء الأشعة تحت الحمراء (يُطلق عليه أحيانًا اسم كيلونوفا) ، وهو انبعاث راديوي قد يفسر الانفجارات الراديوية السريعة الغامضة من مصادر غير معروفة في أعماق الكون ، والبوزيترونات المكتشفة في مركز المجرة من خلال ملاحظات الأشعة السينية ،" قال الأستاذ فولر.

"كل من هذه تمثل ألغازًا طويلة الأمد. من المدهش حقًا أن تكون حلول هذه الظواهر التي لا علاقة لها على ما يبدو مرتبطة بالنهاية العنيفة للنجوم النيوترونية على أيدي الثقوب السوداء الصغيرة ".

جورج م وآخرون. 2017. الثقوب السوداء البدائية و r-Process Nucleosynthesis. رسائل المراجعة البدنية، في الصحافة arXiv: 1704.01129


الثقوب السوداء للكون البدائي & # 8211 & # 8220A لغز مذهل & # 8221

يقول الباحث الرئيسي في هذا اللغز في وكالة ناسا ورقم 8217 ، إن الشيء المذهل هو السبب الذي دفع العلماء إلى قضاء الكثير من الوقت في محاولة العثور على بذور الثقب الأسود & # 8211 & # 8220 لأنها تلقي الضوء على العمليات التي حدثت في الكون المبكر. ما هي كتل الثقوب السوداء الأثرية ، أو آليات تشكيل جديدة للثقوب السوداء التي لم نفكر فيها بعد ، & # 8221 قالت فيونا هاريسون ، أستاذة الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمحقق الرئيسي في مهمة NuSTAR التابعة لناسا و # 8217 ، التي يديرها مختبر الدفع النفاث.

نمت أثقل الثقوب السوداء في الكون من بذور تغذت بالغاز والغبار الذي استهلكته ، أو من خلال الاندماج مع أشياء كثيفة أخرى. نمت هذه البذور البدائية في الحجم والوزن لتشكل مراكز المجرات ، مثل مجرتنا درب التبانة. الظاهرة المحيرة للعقل هي أن بذور الثقوب السوداء العملاقة لا بد أنها ثقوب سوداء أيضًا. لم يجد علماء الفيزياء الفلكية هذه البذور بعد.

البذور الخفية

إحدى الأفكار هي أن الثقوب السوداء الهائلة & # 8211 التي تعادل مئات الآلاف إلى بلايين الشمس في الكتلة & # 8211 نمت من مجموعة من الثقوب السوداء الأصغر التي لم تُرَ من قبل. هذه المجموعة المراوغة ، & # 8220 ثقوب سوداء متوسطة الكتلة ، & # 8221 تزن ما بين 100 و 100000 شمس. من بين مئات الثقوب السوداء التي تم العثور عليها حتى الآن ، كان هناك الكثير من الثقوب الصغيرة نسبيًا ، ولكن لا شيء مؤكد في النطاق الكتلي المتوسط ​​& # 8220 الصحراء. & # 8221

يعمل العلماء مع تلسكوبات فضائية قوية من وكالة ناسا ، بالإضافة إلى مراصد أخرى ، لتعقب الأجسام البعيدة التي تتناسب مع وصف هذه الكيانات الغريبة. لقد وجدوا العشرات من المرشحين المحتملين ويعملون على تأكيدهم على أنهم ثقوب سوداء. لكن حتى لو فعلوا ذلك ، فإن هذا يفتح لغزا جديدا تماما: كيف تشكلت الثقوب السوداء متوسطة الكتلة؟

Supermassive black holes, on the other hand, are the central anchors of large galaxies – for example, our Sun and all other stars in the Milky Way orbit a black hole called Sagittarius A* that weighs about 4.1 million solar masses. An even heavier black hole – at a whopping 6.5 billion solar masses – serves as the centerpiece for the galaxy Messier 87 (M87). M87’s supermassive black hole appears in the famous image from the Event Horizon Telescope, showing a black hole and its “shadow” for the very first time. This shadow is caused by the event horizon, the black hole’s point of no return, bending and capturing light with its strong gravity.

Supermassive black holes tend to have disks of material around them, called “accretion disks,” made of extremely hot, high-energy particles that shine bright as they get closer to the event horizon – the black hole’s region of no return. Those that make their disks shine brightly because they eat a lot are called “active galactic nuclei.”

The density of matter needed to create a black hole is mind-boggling. To make a black hole 50 times the mass of the Sun, you would have to pack the equivalent of 50 Suns into a ball less than 200 miles (300 kilometers) across. But in the case of M87’s centerpiece, it is as though 6.5 billion Suns were compressed into a ball wider than the orbit of Pluto. In both cases, the density is so high that the original material must collapse into a singularity – a rip in the fabric of space-time.

Key to the mystery of black holes’ origins is the physical limit on how fast they can grow. Even the giant monsters at the centers of galaxies have limitations on their feeding frenzies, because a certain amount of material is pushed back by the high-energy radiation coming from hot particles accelerated near the event horizon. Just by eating surrounding material, a low-mass black hole might only be able to double its mass in 30 million years, for example.

“If you start from a mass of 50 solar masses, you simply cannot grow it to 1 billion solar masses over 1 billion years,” said Igor Chilingarian, an astrophysicist at the Smithsonian Astrophysical Observatory in Cambridge, Massachusetts, and Moscow State University. But “as we know, there are supermassive black holes that exist less than 1 billion years after the formation of the universe.”

How to Make a Black Hole You Can’t See

Early in the universe’s history, the seed of an intermediate-mass black hole could have formed either from the collapse of a large, dense gas cloud or from a supernova explosion. The very first stars that exploded in our universe had pure hydrogen and helium in their outer layers, with heavier elements concentrated in the core. This is a recipe for a much more massive black hole than exploding modern stars, which are “polluted” with heavy elements in their outer layers and therefore lose more mass through their stellar winds.

“If we’re forming black holes with 100 solar masses early in the universe, some of them should merge together, but you basically then should produce a whole range of masses, and then some of them should still be around,” said Tod Strohmayer, astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “So then, where are they if they did form?”

One clue that intermediate-mass black holes could still be out there came from the National Science Foundation’s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), a collaboration between Caltech and the Massachusetts Institute of Technology. LIGO detectors, combined with a European facility in Italy named Virgo, are turning up many different mergers of black holes through ripples in space-time called gravitational waves.

In 2016, LIGO announced one of the most important scientific discoveries of the last half-century: the first gravitational wave detection. Specifically, the detectors based in Livingston, Louisiana, and Hanford, Washington, picked up the signal of two black holes merging. The masses of these black holes – 29 and 36 times the mass of the Sun, respectively – surprised scientists. While these are still not technically intermediate-mass, they are large enough to raise eyebrows.

It’s possible that all of the intermediate-mass black holes have already merged, but also that technology hasn’t been fine tuned to locate them.

So Where Are They?

Looking for black holes in the intermediate-mass desert is tricky because black holes themselves emit no light. However, scientists can look for specific telltale signs using sophisticated telescopes and other instruments. For example, because the flow of matter onto a black hole is not constant, the clumpiness of consumed material causes certain variations in light output in the environment. Such changes can be seen more quickly in smaller black holes than larger ones.

“On a timescale of hours, you can do the observational campaign that for classical active galactic nuclei takes months,” Chilingarian said.

The most promising intermediate-mass black hole candidate is called HLX-1, with a mass of about 20,000 times the Sun’s. HLX-1 stands for “Hyper-Luminous X-ray Source 1,” and its energy output is a lot higher than Sun-like stars. It was discovered in 2009 by Australian astronomer Sean Farrell, using the European Space Agency’s XMM-Newton X-ray space telescope. A 2012 study using NASA’s Hubble and Swift space telescopes found suggestions of a cluster of young blue stars orbiting this object. It may have once been the center of a dwarf galaxy that was swallowed by the larger galaxy ESO 243-49. Many scientists consider HLX-1 a proven intermediate-mass black hole, Harrison said.

“The colors of X-ray light it emits, and just the way it behaves, is very similar to a black hole,” Harrison said. “A lot of people, including my group, have programs to find things that look like HLX-1, but so far none are consistent. But the hunt goes on.”

Less-bright objects that could be intermediate-mass black holes are called ultraluminous X-ray sources, or ULXs. A flickering ULX called NGC 5408 X-1 has been especially intriguing to scientists looking for intermediate-mass black holes. But NASA’s NuSTAR and Chandra X-ray observatories astonished scientists by revealing that many ULX objects are not black holes. Instead, they are pulsars – extremely dense stellar remnants that appear to pulse like lighthouses.

M82 X-1, the brightest X-ray source in the galaxy M82, is another very bright object that seems to flicker on timescales consistent with an intermediate-mass black hole. These changes in brightness are related to the mass of the black hole and are caused by orbiting material near the inner region of the accretion disk. A 2014 study looked at specific variations in X-ray light and estimated that M82 X-1 has a mass of about 400 Suns. Scientists used archival data from NASA’s Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) satellite to study these X-ray brightness variations.

Most recently, scientists investigated a bigger group of possible intermediate-mass black holes. In 2018, Chilingarian and colleagues described a sample of 10 candidates by re-analyzing optical data from the Sloan Digital Sky Survey and matching the initial prospects with X-ray data from Chandra and XMM-Newton. They are now following up with ground-based telescopes in Chile and Arizona. Mar Mezcua of Spain’s Institute for Space Sciences led a separate 2018 study, also using Chandra data, finding 40 growing black holes in dwarf galaxies that could be in that special intermediate-mass range. But Mezcua and collaborators argue these black holes formed originally in the collapse of giant clouds rather than by originating in stellar explosions.

New Observatory Technology

Dwarf galaxies are interesting places to continue looking because, in theory, smaller star systems could host black holes of much lower mass than those found in the centers of larger galaxies like our own.

Scientists are also searching globular clusters – spherical concentrations of stars located in the outskirts of the Milky Way and other galaxies – for the same reason.

“It could be there are black holes like that, in galaxies like that, but if they’re not accreting a lot of matter, it might be hard to see them,” Strohmayer said.

Intermediate-mass black hole hunters eagerly await the launch of NASA’s James Webb Space Telescope, which will peer back to the dawn of the first galaxies. Webb will help astronomers figure out which came first – the galaxy or its central black hole – and how that black hole might have been put together. In combination with X-ray observations, Webb’s infrared data will be important for identifying some of the most ancient black hole candidates.

Another new tool launched in July by the Russian space agency Roscosmos is called Spectrum X-Gamma, a spacecraft that will scan the sky in X-rays, and carries an instrument with mirrors developed and built with NASA Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama. Gravitational-wave information flowing from the LIGO-Virgo collaboration will also aid in the search, as will the European Space Agency’s planned Laser Interferometer Space Antenna (LISA) mission.

This fleet of new instruments and technologies, in addition to current ones, will help astronomers as they continue to scour the cosmic garden for seeds of black holes, and galaxies like our own.


“Before the First Stars” –Primordial Black Holes, Gravity Wells Formed Moments After the Big Bang

Did primordial Black holes –described as “the gates of hell, the end of spacetime, paradoxical, intriguing, frightening” by the Event Horizon Telescope scientists who imaged the now iconic black hole the size of our solar system at the heart of monster elliptical galaxy M87— exist during the cosmic Dark Age following the Big Bang, before the formation of the first stars?

“We know very well that black holes can be formed by the collapse of large stars, or as we have seen recently, the merger of two neutron stars,” said Savvas Koushiappas, a dark-matter physicist at Brown University, about the possibility that with future gravitational wave experiments, we’ll be able to look back to a time before the formation of the first stars to see if black hole merger events existed before stars formed in the cosmos, then we’ll know that those black holes are not of stellar origin.”It’s been hypothesized that there could be black holes that formed in the very early universe before stars existed at all.”

“The idea is very simple,” said Koushiappas, coauthor of the 2017 study with Harvard’s Avi Loeb.” The study outlined how scientists could use gravitational wave experiments to test the existence of primordial black holes, gravity wells formed just moments after the Big Bang that some scientists have posited could be an explanation for dark matter.

The Big Conjecture

Their conjecture is that shortly after the Big Bang, quantum mechanical fluctuations led to the density distribution of matter that we observe today in the expanding universe. It’s been suggested that some of those density fluctuations might have been large enough to result in black holes peppered throughout the universe. These so-called primordial black holes were first proposed in the early 1970s by Stephen Hawking and collaborators but have never been detected—it’s still not clear if they exist at all.

LIGO –Looking Back to the Beginning of Time

The ability to detect gravitational waves, as demonstrated recently by the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), has the potential to shed new light on the issue. Such experiments detect ripples in the fabric of spacetime associated with giant astronomical events like the collision of two black holes. LIGO has already detected several black hole mergers, and future experiments will be able to detect events that happened much further back in time.

Redshift 40!

Cosmologists measure how far back in time an event occurred using redshift—the stretching of the wavelength of light associated with the expansion of the universe based Hubble’s Law which says that the further galaxies are from Earth, are the faster they are moving away. Events further back in time are associated with larger redshifts. For this study, Koushiappas and Loeb calculated the redshift at which black hole mergers should no longer be detected assuming only stellar origin.

They show that at a redshift of 40, which equates to about 65 million years after the Big Bang, merger events should be detected at a rate of no more than one per year, assuming stellar origin. At redshifts greater than 40, events should disappear altogether.

“That’s really the drop-dead point,” Koushiappas said. “In reality, we expect merger events to stop well before that point, but a redshift of 40 or so is the absolute hardest bound or cutoff point.”

A redshift of 40 should be within reach of several proposed gravitational wave experiments. And if they detect merger events beyond that, it means one of two things, Koushiappas and Loeb say: Either primordial black holes exist, or the early universe evolved in a way that’s very different from the standard cosmological model. Either would be very important discoveries, the researchers say.

Dark Matter as Primordial Black Holes

For example, primordial black holes fall into a category of entities known as MACHOs, or Massive Compact Halo Objects. Some scientists have proposed that dark matter—the unseen stuff that is thought to comprise most of the mass of the universe—may be made of MACHOs in the form of primordial black holes. A detection of primordial black holes would bolster that idea, while a non-detection would cast doubt upon it.

The only other possible explanation for black hole mergers at redshifts greater than 40 is that the universe is “non-Gaussian.” In the standard cosmological model, matter fluctuations in the early universe are described by a Gaussian probability distribution. A merger detection could mean matter fluctuations deviate from a Gaussian distribution.

“Evidence for non-Gaussianity would require new physics to explain the origin of these fluctuations, which would be a big deal,” Loeb said.

The rate at which detections are made past a redshift of 40—if indeed such detections are made—should indicate whether they’re a sign of primordial black holes or evidence for non-Gaussianity. But a non-detection would present a strong challenge to those ideas.