A fekete lyukak általában nagy tömegű csillagok összeomlásakor keletkeznek az csillag-evolúció utolsó szakaszában. Ezért amikor egy fekete lyuk megszületik, tömege nem haladja meg a néhány tucat naptömeget. Ha azonban már kialakult, egy fekete lyuk elkezdi felszívni a körülötte lévő anyagot, és ha a szóban forgó lyuk egy galaxis középpontjában helyezkedik el, ahol nagy az anyagsűrűség, akkor akár milliós, sőt milliárdos naptömegig is megnőhet, és „szupermasszív” fekete lyukká válhat.

A Tejútrendszerben található is egy ilyen, ez a Sagittarius A* nevű fekete lyuk, amely több mint négymilliószor nehezebb, mint a Nap. Bár a Sagittarius A* felfoghatatlan óriás, valójában eltörpül néhány más ismert, ennél is sokkal nagyobb „ultramasszív” fekete lyukhoz képest, amelyek tömege több tízmilliárdszorosa a Nap tömegének. Az ultramasszív fekete lyukak azonban nem csak egyszerűen hatalmasak, de kihívás elé is állítják a kutatókat: a probléma ugyanis az, hogy a galaxisok kialakulásának és evolúciójának jelenlegi elmélete szerint egyetlen fekete lyuknak sem volt elég ideje ekkora tömeget elérni, még akkor sem, ha ez a lyuk röviddel az Ősrobbanás után keletkezett. Magyarán akad egy ellentmondás a megfigyelések és a jelenlegi teóriák között.

A kutatóknak viszont akadt egy hipotézisük, amely ezen gigászok létét magyarázza – eszerint az ultramasszív lyukak nem egy galaxis evolúciójának az eredményei, hanem sokkal inkább kettő vagy akár három galaxis ütközésének, amelyek közepén található szupermasszív lyukak egyesülnek ilyenkor egy ultramasszív lyukká. Ezzel nem csak egyszerűen létrejönne egy hihetetlenül nagy lyuk, de ezen lyuk a megnőtt tömeg miatt gyorsabban is szívná fel maga körül az anyagot, vagyis rövidebb idő alatt nőne hatalmasra.

Mindez azonban sokáig csak hipotézis maradt. Ekkor jött a képbe Yueying Ni amerikai asztrofizikusnő által vezetett csapat, akik ezt az elképzelést le is tesztelték egy csillagászati modellen, az Astridon. Astrid a jelenlegi egyik legnagyobb kozmológiai szimuláció. Mint azt Ni nyilatkozta:

„Az Astrid a kozmosz nagy részét lemodellezi, amely több százmillió fényévet ölel fel, mégis nagyon nagy felbontással tud ráközelíteni (a kisebb részletekre).”

Az Astrid szimulációkat az NSF által finanszírozott Frontera szuperszámítógépen futatták, amely a Texasi Egyetemen, Austinban, a Texas Advanced Computing Centerben (TACC) található. A szimuláció futtatásához az asztrofizikusok a TACC Frontera szuperszámítógépét használták tehát, amely az Egyesült Államok legerősebb akadémiai szuperszámítógépe. Ni elmondta azt is, hogy Astridot eleve erre a rendszerre fejlesztették.

Szuperszámítógépen szimulálják, hogyan születnek meg a gondolatok A világ egyik leggyorsabb számítógépe segít kideríteni, mi történik a másodperc milliomodnyi része alatt lezajló események során, ami egy-egy gondolat kialakulását előzi meg.

A The Astrophysical Journal-ban közzétett tanulmányban a csapat az univerzum 10-11 milliárd év közötti életkorára összpontosított – az univerzum jelenleg egyébként körülbelül 13,8 milliárd éves. Ezt az időszakot kozmikus délidőnek is nevezik, a csillagkeletkezés aránya, ahogy a fekete lyukak által elnyelt anyagmennyiség is ekkor ért a csúcsára. A szimulációban az asztrofizikusok 3000 galaxis evolúcióját vették figyelembe, ami több mint 700 fekete lyuk kialakulását eredményezte, amelyek tömege több mint 1 milliárdszor nagyobb, mint a Napé. A galaxisok közül több hármas galaxisrendszer is kiemelkedett, amelyekben szupermasszív fekete lyukak voltak találhatók – és ezek végül egy ultramasszív galaxisba egyesültek. A várakozásoknak megfelelően az újonnan kialakult, hatalmas galaxisokban a fekete lyukak gyorsan növekedni kezdtek, és alig néhány százmillió év alatt (kozmikus léptékben tehát villámsebesen) elérék a megközelítőleg 50 milliárd, 65 milliárd és 100 milliárdos naptömegeket – ezután viszont a növekedésük jelentősen lelassult.

A régmúlt kozmikus délidő rejtelmeibe nyújt betekintést a Tarantula-csillagköd A James Webb Űrteleszkóp infravörös szemein át látható, milyen lehetett az univerzum tízmilliárd évvel ezelőtt.

Ni nyilatkozata alapján három olyan ultramasszív lyukat is találtak, amelyek mind ekkor, tehát a kozmikus délben gyűjtötték össze a tömegüket. A szimuláció eredményei ráadásul nagymértékben megegyeznek a megfigyelésekkel: a legnagyobb ismert fekete lyukak tömege ugyanis valóban körülbelül 40-65 milliárd naptömeg. Sőt, nemcsak az ultramasszív fekete lyukak tömegei, hanem az őket befogadó galaxisok szerkezete és fényereje is szinte tökéletesen egyezik a megfigyelésekkel, így a vizsgálat még megbízhatóbb. A szimuláció másik érdekessége, hogy az ultramasszív fekete lyukak tömege nagyon közelinek bizonyult az elméleti maximumhoz, ami után a fekete lyuk már majdnem teljesen befejezi az anyag felvételét az őt körülvevő akkréciós korongból.

Ezek szerint tehát a számítógépes szimulációk meglehetősen pontosak voltak, ráadásul a fekete lyukak, valamint az őket körülvevő anyag kapcsolatát leíró elméletek is megerősítésre kerültek.

(Kép: Flickr/NASA Goddard SFC)