Te kwazary najwyraźniej mają niewielu kosmicznych sąsiadów, co rodzi pytania o to, jak powstały 13 miliardów lat temu.
Kwazar to niezwykle jasne jądro galaktyki, w którego centrum znajduje się aktywna supermasywna czarna dziura. Gdy czarna dziura zasysa otaczający ją gaz i pył, wyrzuca z siebie ogromną ilość energii, czyniąc kwazary jednymi z najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie. Kwazary zostały zaobserwowane już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu i do tej pory pozostawało zagadką, w jaki sposób obiekty te mogły stać się tak jasne i masywne w tak krótkim czasie.
Naukowcy zaproponowali, że najwcześniejsze kwazary powstały z nadmiernie gęstych obszarów pierwotnej materii, które wytworzyłyby również wiele mniejszych galaktyk w ich otoczeniu. Jednak w nowym badaniu prowadzonym przez MIT, astronomowie zaobserwowali kilka starożytnych kwazarów, które wydają się być zaskakująco samotne we wczesnym Wszechświecie.
Astronomowie wykorzystali Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), aby cofnąć się w czasie o ponad 13 miliardów lat i zbadać kosmiczne otoczenie pięciu znanych starożytnych kwazarów. Odkryli zaskakującą różnorodność w ich sąsiedztwie, czyli „polach kwazarów”. Podczas gdy niektóre kwazary znajdują się w bardzo zatłoczonych polach z ponad 50 sąsiadującymi galaktykami, tak jak przewidują wszystkie modele, pozostałe kwazary wydają się dryfować w pustych przestrzeniach, z zaledwie kilkoma zabłąkanymi galaktykami w pobliżu.
Te samotne kwazary stanowią wyzwanie dla zrozumienia przez fizyków, w jaki sposób tak jasne obiekty mogły powstać tak wcześnie we Wszechświecie, bez znaczącego źródła otaczającej materii, która mogłaby napędzać wzrost ich czarnych dziur.
W przeciwieństwie do wcześniejszych przekonań, okazuje się, że kwazary niekoniecznie znajdują się w regionach o największej gęstości wczesnego Wszechświata. Niektóre z nich wydają się znajdować pośrodku niczego – powiedziała Anna-Christina Eilers, adiunkt fizyki z MIT. Trudno jest wyjaśnić, w jaki sposób te kwazary mogły urosnąć tak duże, skoro wydaje się, że nie mają się czym żywić.
Istnieje możliwość, że kwazary te nie są tak samotne, jak się wydaje, ale są otoczone galaktykami, które są mocno spowite pyłem, a zatem ukryte przed wzrokiem. Eilers i jej koledzy mają nadzieję dostosować swoje obserwacje, aby spróbować przejrzeć taki kosmiczny pył, żeby zrozumieć, w jaki sposób kwazary rosły tak duże, tak szybko, we wczesnym Wszechświecie.
Eilers i jej koledzy przedstawili swoje odkrycia w artykule opublikowanym 17 października 2024 roku w Astrophysical Journal.
Galaktyczni sąsiedzi
Pięć nowo zaobserwowanych kwazarów jest jednymi z najstarszych zaobserwowanych do tej pory. Obiekty te mają ponad 13 miliardów lat i uważa się, że powstały od 600 do 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Supermasywne czarne dziury zasilające kwazary są miliardy razy masywniejsze od Słońca i ponad bilion razy jaśniejsze. Ze względu na ich ekstremalną jasność, światło z każdego kwazara jest w stanie podróżować przez wiek Wszechświata, wystarczająco daleko, aby dotrzeć do bardzo czułych detektorów JWST.
To po prostu fenomenalne, że mamy teraz teleskop, który może uchwycić światło sprzed 13 miliardów lat z tak dużą ilością szczegółów – powiedziała Eilers. Po raz pierwszy JWST pozwolił nam spojrzeć na środowisko tych kwazarów, gdzie dorastały i jakie było ich sąsiedztwo.
Zespół przeanalizował zdjęcia pięciu starożytnych kwazarów wykonane przez JWST w okresie od sierpnia 2022 roku do czerwca 2023 roku. Obserwacje każdego kwazara składały się z wielu „mozaikowych” obrazów pola kwazara, które zespół skutecznie połączył, aby uzyskać pełny obraz otoczenia każdego kwazara.
Teleskop wykonał również pomiary światła w wielu długościach fal w polu każdego kwazara, które zespół następnie przetworzył w celu ustalenia, czy dany obiekt w polu był światłem z sąsiedniej galaktyki i jak daleko galaktyka znajduje się od znacznie jaśniejszego centralnego kwazara.
Odkryliśmy, że jedyną różnicą między tymi pięcioma kwazarami jest to, że ich otoczenie wygląda zupełnie inaczej – powiedziała Eilers. Na przykład, jeden kwazar ma wokół siebie prawie 50 galaktyk, podczas gdy inny ma tylko dwie. Oba kwazary znajdują się w tej samej wielkości, objętości, jasności i czasie Wszechświata. To było naprawdę zaskakujące.
Skoki wzrostu
Rozbieżność w polach kwazarów wprowadza załamanie w standardowym obrazie wzrostu czarnych dziur i powstawania galaktyk. Zgodnie z najlepszą wiedzą fizyków na temat tego, jak powstały pierwsze obiekty we Wszechświecie, kosmiczna sieć ciemnej materii powinna wyznaczyć kierunek. Ciemna materia to nieznana dotąd forma materii, która nie oddziałuje z otoczeniem inaczej niż poprzez grawitację.
Uważa się, że krótko po Wielkim Wybuchu, wczesny Wszechświat uformował włókna ciemnej materii, które działały jak rodzaj grawitacyjnej drogi, przyciągając gaz i pył wzdłuż swoich wąsów. W nadmiernie gęstych regionach tej sieci materia gromadziła się, tworząc bardziej masywne obiekty. Najjaśniejsze, najbardziej masywne wczesne obiekty, takie jak kwazary, powstałyby w regionach o największej gęstości sieci, które wytworzyłyby również wiele mniejszych galaktyk.
Kosmiczna sieć ciemnej materii jest solidnym przewidywaniem naszego kosmologicznego modelu Wszechświata i można ją szczegółowo opisać za pomocą symulacji numerycznych – powiedział współautor Elia Pizzati, doktorant na Uniwersytecie w Lejdzie. Porównując nasze obserwacje z tymi symulacjami, możemy określić, gdzie w kosmicznej sieci znajdują się kwazary.
Naukowcy szacują, że kwazary musiałyby stale rosnąć i cechować się bardzo dużą szybkością akrecji, aby osiągnąć ekstremalną masę i jasność w czasie, w którym astronomowie je obserwowali, czyli mniej niż 1 miliard lat po Wielkim Wybuchu.
Głównym pytaniem, na które staramy się odpowiedzieć, jest to, w jaki sposób te czarne dziury o masie miliarda mas Słońca tworzą się w czasie, gdy Wszechświat jest jeszcze bardzo, bardzo młody? Jest jeszcze w powijakach – powiedziała Eilers.
Odkrycia zespołu mogą rodzić więcej pytań niż odpowiedzi. „Samotne” kwazary wydają się żyć w stosunkowo pustych regionach przestrzeni. Jeżeli modele kosmologiczne fizyków są poprawne, te jałowe regiony oznaczają bardzo mało ciemnej materii, czyli materiału wyjściowego do tworzenia gwiazd i galaktyk. Jak zatem powstały te niezwykle jasne i masywne kwazary?
Nasze wyniki pokazują, że wciąż brakuje istotnego elementu układanki, w jaki sposób te supermasywne czarne dziury rosną – powiedziała Eilers. Jeżeli w pobliżu nie ma wystarczającej ilości materiału, aby niektóre kwazary mogły rosnąć w sposób ciągły, oznacza to, że musi istnieć inny sposób, w jaki mogą rosnąć, którego jeszcze nie odkryliśmy.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MIT