Czy pierwotne czarne dziury przyczyniły się do powstania pierwszych gwiazd we wszechświecie?

Najbardziej akceptowany obecnie model kosmologiczny głosi, że Wszechświat powstał około 13,8 miliarda lat temu w wyniku potężnej eksplozji energii zwanej Wielkim Wybuchem. Zgodnie z tą teorią, punkt o nieskończonej gęstości i temperaturze początkowo stworzył czas, przestrzeń i materię poprzez nagłą ekspansję. W ciągu pierwszych kilku sekund powstały cząstki elementarne – protony, neutrony i elektrony. W ciągu kolejnych setek tysięcy lat cząstki te połączyły się, tworząc proste atomy, takie jak wodór i hel.

Jednak narodziny gwiazd i galaktyk nastąpiły znacznie później. Procesy, które doprowadziły do ich powstania, wciąż stanowią przedmiot badań. W szczególności rola, jaką w tej ewolucji odegrały pierwotne czarne dziury, o których hipotezie mówi się, że powstały wkrótce po Wielkim Wybuchu, przyciągnęła w ostatnich latach znaczną uwagę. Jak zauważono w raporcie na Space.com, niektórzy astrofizycy badają możliwość, że pierwotne czarne dziury mogły wpłynąć na tempo formowania się gwiazd. Czarne dziury te nie tylko wyjaśniają istnienie ciemnej materii, ale mogły również przyczynić się do powstania pierwszych źródeł światła we Wszechświecie.

• Pierwotne czarne dziury: ciemna materia i gwiazdy

Nasiona? Pierwotne czarne dziury (PB), w przeciwieństwie do typowych czarnych dziur powstających w wyniku zapadnięcia się gwiazd, to obiekty niebieskie, o których uważa się, że powstały w wyniku fluktuacji gęstości we wczesnym wszechświecie – nawet w pierwszych sekundach – przed pojawieniem się gwiazd. Artykuł Carra i Hawkinga z 1974 roku był przełomowy pod tym względem: „[...] pewne lokalne fluktuacje gęstości materii we wczesnym wszechświecie mogły powodować lokalne zapadnięcia, prowadzące do powstawania czarnych dziur w bardzo krótkich skalach czasowych” (Carr i Hawking, 1974).

Te czarne dziury mogą pełnić funkcję „ziaren grawitacyjnych”, które przyciągały materię we wczesnym Wszechświecie. Jak stwierdzono w badaniu García-Bellido i in. (2021), czarne dziury nie tylko są kandydatami na ciemną materię, ale mogą być również związane z asymetrią barionową, czyli brakiem równowagi między materią a antymaterią we Wszechświecie: „Pierwotne czarne dziury mogą stanowić wspólne źródło ciemnej materii i gęstości barionów”. Pogląd ten został rozwinięty w podręczniku García-Bellido „Handbook of Gravitational Wave Astronomy” z 2022 roku, w którym zaproponowano, że pierwotne czarne dziury mogą być również źródłem fal grawitacyjnych.

Według analizy Dolgova i Blinnikova (2014), czarne dziury mogły również pełnić funkcję centrów grawitacyjnych, które umożliwiły powstanie pierwszych gwiazd. W tym modelu czarne dziury przyciągały otaczający je gaz, inicjując w ten sposób powstawanie pierwszych gromad gwiazd. Kompleksowe badanie Carra i Greena z 2025 roku podkreśliło, że czarne dziury o zróżnicowanym zakresie mas mogą mieć bardzo szeroki wpływ kosmologiczny, obejmujący nie tylko formowanie się gwiazd, ale także powstawanie galaktyk, a nawet supermasywnych czarnych dziur.

• Narodziny pierwszych gwiazd, lśniących Świateł Kosmicznego świtu:

Aż do pierwszych kilkuset milionów lat istnienia Wszechświata nie istniały gwiazdy – okres ten znany jest jako „Epoka Ciemności”. Ostatecznie obłoki gazu, skondensowane przez grawitację, utworzyły pierwsze gwiazdy. Gwiazdy te nazywane są gwiazdami Populacji III. Yoshida (2019) stwierdza, że gwiazdy te były bardzo gorące, bardzo masywne i krótkotrwałe:

„Pierwsze gwiazdy mogą mieć masę kilkaset razy większą od masy Słońca, a ich czas życia ogranicza się do zaledwie kilku milionów lat” (Yoshida, 2019).

Jednak to, jak te gwiazdy mogły powstać tak szybko, przez długi czas pozostawało zagadką. Volonteri i Bellovary (2012) podchodzą do tego zagadnienia w następujący sposób:

„Pierwotne czarne dziury mogły ułatwić gromadzenie się gazu w centrum, przyczyniając się do szybkiego powstawania gęstych, gorących obszarów gwiazdotwórczych”.

Prace Smitha i Bromma (2019) potwierdzają tę tezę: do powstania masywnych gwiazd, a tym samym supermasywnych czarnych dziur, niezbędne może być istnienie wcześniej istniejącego „środka ciężkości”. Pierwotne czarne dziury mogły odgrywać tę rolę. Podobnie Melia i McClintock (2015) sugerują, że supermasywne czarne dziury obserwowane we wczesnym Wszechświecie mogły powstać przed gwiazdami, a struktury te mogły zostać zasiane przez protony gwiazd.

Badania te dowodzą, że wczesny Wszechświat nie był przypadkowym procesem formowania się, lecz raczej napędzanym przez specyficzną dynamikę. Pierwotne czarne dziury mogły nie tylko uformować pierwszą ciemną materię we Wszechświecie, ale także odegrały kluczową rolę w powstaniu pierwszych źródeł światła – gwiazd. Praca Gaztanagi (2022) odwraca jednak ten proces i stawia hipotezę, że sam Wszechświat może zachowywać się jak supermasywna czarna dziura, ustanawiając tym samym głębsze powiązania między Wielkim Wybuchem a fizyką czarnych dziur.

Jak podkreśla Gow (2021) w swojej rozprawie doktorskiej, jeśli ta hipoteza jest słuszna, pierwotne czarne dziury mogą wymagać przepisania historii wszechświata. W tym przypadku moglibyśmy podążać śladami czarnych dziur, które „zorganizowały ciemność” na długo, zanim dały światło gwiazdom.

Ostatecznie, teoretyczne i obserwacyjne badania pierwotnych czarnych dziur mogą pomóc nam zrozumieć nie tylko naturę tych tajemniczych obiektów, ale także sposób, w jaki powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki we Wszechświecie. Badania z wykorzystaniem nowoczesnych obserwatoriów i teleskopów kosmicznych nowej generacji będą nadal wykrywać ślady tych czarnych dziur i weryfikować te hipotezy.

***

Zasoby

Carr BJ, Hawking SW. (1974). Mon Not R Astron Soc, 168(2), 399–415.

Dołgow AD, Blinnikov SI. (2014). Fizyka Rev D, 89(2), 021301.

Yoshida N. (2019). Proc Jpn Acad Ser B, 95(1), 17–28.

Volonteri M., Bellovary J. (2012). Rep Prog Phys, 75(12), 124901.

Smith A, Bromm V. (2019). Contemp Fiz.

Melia F., McClintockTM. (2015). Proc R Soc A, 471(2184), 20150449. Gaztanaga E. (2022). Wszechświat, 8(5), 257.

Carr BJ, Green AM. (2025). W: Pierwotne czarne dziury. SpringerNature.

Gow A. (2021). Rozprawa doktorska, Uniwersytet Sussex.

García-Bellido J, Carr B, Clesse S. (2021). Wszechświat, 8(1), 12.

García-Bellido J. (2022). W: Handbook of Gravitational Wave Astronomy, Springer.

Space.com (2024). Czy „pierwotne” czarne dziury, które powstały zaraz po Wielkim Wybuchu, pomogły w powstaniu pierwszych gwiazd we wszechświecie?