Niedawne odkrycie potwierdziło, że jasne, bardzo czerwone obiekty wykryte we wczesnym Wszechświecie podważają konwencjonalne myślenie o pochodzeniu i ewolucji galaktyk i supermasywnych czarnych dziur.
Źródło: Dostarczone przez badaczy. Penn State
Międzynarodowy zespół pod kierownictwem naukowców z Penn State, wykorzystujący instrument NIRSpec na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w ramach przeglądu RUBIES, zidentyfikował trzy tajemnicze obiekty we wczesnym Wszechświecie, około 600-800 milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy Wszechświat miał zaledwie 5% swojego obecnego wieku. Odkrycie zostało ogłoszone 27 czerwca 2024 roku w Astrophysical Journal Letters.
Zespół badał pomiary spektralne, czyli intensywność różnych długości fal światła emitowanego przez obiekty. Ich analiza wykazała obecność „starych” gwiazd, liczących setki milionów lat, znacznie starszych niż można by się spodziewać w młodym Wszechświecie.
Naukowcy stwierdzili, że byli również zaskoczeni odkryciem sygnatur olbrzymich supermasywnych czarnych dziur w tych samych obiektach, szacując, że są one od 100 do 1000 razy masywniejsze niż supermasywna czarna dziura w naszej własnej Drodze Mlecznej. Żadnego z tych zjawisk nie oczekuje się w obecnych modelach wzrostu galaktyk i powstawania supermasywnych czarnych dziur, które zakładają, że galaktyki i ich czarne dziury rosną razem przez miliardy lat kosmicznej historii.
Potwierdziliśmy, że wydają się one być wypełnione starożytnymi gwiazdami – liczącymi setki milionów lat – we Wszechświecie, który ma zaledwie 600-800 milionów lat. Co ciekawe, obiekty te są rekordzistami pod względem najwcześniejszych śladów światła starych gwiazd – powiedziała Bingjie Wang, dr hab. w Penn State University i główna autorka artykułu. Znalezienie starych gwiazd w bardzo młodym Wszechświecie było całkowicie nieoczekiwane. Standardowe modele kosmologii i formowania się galaktyk odniosły niewiarygodny sukces, jednak te świecące obiekty nie do końca pasują do tych teorii.
Naukowcy po raz pierwszy zauważyli masywne obiekty w lipcu 2022 roku, kiedy to udostępniono wstępny zestaw danych z JWST. Kilka miesięcy później zespół opublikował artykuł w Nature, w którym ogłosił istnienie obiektów. Pisałam o tym odkryciu w artykule z 26 lutego 2023 r.
W tamtym czasie naukowcy podejrzewali, że obiekty te były galaktykami, ale po przeprowadzeniu analizy pozyskali widma, aby lepiej zrozumieć rzeczywiste odległości obiektów, a także źródła zasilające ich ogromne światło.
Naukowcy wykorzystali następnie nowe dane, aby nakreślić wyraźniejszy obraz tego, jak wyglądały galaktyki i co znajdowało się w ich wnętrzu. Zespół nie tylko potwierdził, że obiekty były rzeczywiście galaktykami w pobliżu początku czasu, ale także znalazł dowody na istnienie zaskakująco dużych supermasywnych czarnych dziur i zaskakująco starej populacji gwiazd.
To bardzo mylące – powiedział Joel Leja, adiunkt astronomii i fizyki w Penn State i współautor obu artykułów. Możesz sprawić, że będzie to niewygodnie pasować do naszego obecnego modelu Wszechświata, ale tylko wtedy, gdy wywołamy jakąś egzotyczną, szalenie szybką formację na początku czasu. To bez wątpienia najbardziej osobliwy i interesujący zestaw obiektów, jaki widziałem w swojej karierze.
JWST jest wyposażony w instrumenty wykrywające podczerwień, https://pl.wikipedia.org/wiki/Podczerwień zdolne do wykrywania światła emitowanego przez najstarsze gwiazdy i galaktyki. Zasadniczo teleskop pozwala naukowcom cofnąć się w czasie o około 13,5 miliarda lat, blisko początku Wszechświata, jaki znamy, powiedział Leja.
Jednym z wyzwań związanych z analizą starożytnego światła jest to, że może być trudno rozróżnić typy obiektów, które mogły je emitować. W przypadku tych wczesnych obiektów, mają one wyraźne cechy zarówno supermasywnych czarnych dziur, jak i starych gwiazd. Jednak, jak wyjaśniła Wang, nie jest jeszcze jasne, jaką część obserwowanego światła pochodzi od każdego z nich – co oznacza, że mogą to być wczesne galaktyki, które są niespodziewanie stare i masywniejsze nawet od Drogi Mlecznej, formując się znacznie wcześniej niż przewidują modele, lub mogą to być galaktyki o bardziej normalnej masie z „nadmiernie masywnymi” czarnymi dziurami, około 100 do 1000 razy masywniejszymi niż taka galaktyka byłaby dzisiaj.
Rozróżnienie między światłem pochodzącym z materii wpadającej do czarnej dziury, a światłem emitowanym przez gwiazdy w tych małych, odległych obiektach jest trudne – powiedziała Wang. Ta zdolność do rozróżnienia w obecnym zestawie danych pozostawia wiele miejsca na interpretację tych intrygujących obiektów. Szczerze mówiąc, to ekscytujące, że tak wiele z tej tajemnicy pozostaje do odkrycia.
Pomijając ich niewytłumaczalną masę i wiek, jeżeli część światła rzeczywiście pochodzi od supermasywnych czarnych dziur, to nie są one również normalnymi supermasywnymi czarnymi dziurami. Wytwarzają one znacznie więcej fotonów UV niż oczekiwano, a podobne obiekty badane za pomocą innych instrumentów nie mają charakterystycznych oznak supermasywnych czarnych dziur, takich jak gorący pył i jasna emisja promieniowania X. Ale być może najbardziej zaskakującą rzeczą jest to, jak masywne wydają się być te obiekty.
Zazwyczaj supermasywne czarne dziury są łączone w pary z galaktykami – powiedział Leja. Dorastają razem i razem przechodzą przez wszystkie najważniejsze doświadczenia życiowe. Ale tutaj mamy w pełni ukształtowaną dorosłą czarną dziurę żyjącą wewnątrz czegoś, co powinno być małą galaktyką. To naprawdę nie ma sensu, ponieważ powinny one rosnąć razem, a przynajmniej tak nam się wydawało.
Naukowcy byli również zakłopotani niewiarygodnie małymi rozmiarami tych układów, o średnicy zaledwie kilkuset lat świetlnych, czyli około 1000 razy mniejszej niż nasza Droga Mleczna. Gwiazdy są w przybliżeniu tak liczne, jak w naszej własnej Galaktyce – od 10 miliardów do 1 biliona gwiazd – ale mieszczą się w objętości 1000 razy mniejszej niż Droga Mleczna.
Leja wyjaśnił, że gdyby wziąć Drogę Mleczną i skompresować ją do rozmiaru galaktyk, które znaleźli, najbliższa gwiazda znajdowałaby się prawie w naszym Układzie Słonecznym. Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej, oddalona o około 26 000 lat świetlnych, znajdowałaby się tylko około 26 lat świetlnych od Ziemi i byłaby widoczna na niebie jako gigantyczny słup światła.
Te wczesne galaktyki byłyby tak gęste od gwiazd – gwiazd, które musiały uformować się w sposób, jakiego nigdy nie widzieliśmy, w warunkach, jakich nigdy byśmy się nie spodziewali, w okresie, w którym nigdy nie spodziewaliśmy się ich zobaczyć – powiedział Leja. Z jakiegoś powodu Wszechświat przestał tworzyć takie obiekty po zaledwie kilku miliardach lat. Są one unikalne dla wczesnego Wszechświata.
Naukowcy mają nadzieję na dalsze obserwacje, które mogą pomóc wyjaśnić niektóre z tajemnic tych obiektów. Planują oni wykonać głębsze widma, kierując teleskop na obiekty przez dłuższy czas, co pomoże rozdzielić emisję pochodzącą od gwiazd i potencjalnej supermasywnej czarnej dziury, identyfikując specyficzne sygnatury absorpcji, które byłyby obecne w każdym z nich.
Jest jeszcze jeden sposób, w jaki moglibyśmy dokonać przełomu i to jest właściwy pomysł – powiedział Leja. Mamy wszystkie te elementy układanki i pasują one do siebie tylko wtedy, gdy zignorujemy fakt, że niektóre z nich nie pasują. Ten problem jest podatny na przebłysk geniuszu, który do tej pory wymykał się nam, wszystkim naszym współpracownikom i całej społeczności naukowej.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Penn State University