Obserwacje sugerują, że niektóre z najwcześniejszych monstrualnych czarnych dziur wyrosły z masywnych kosmicznych nasion.
Astronomowie z MIT zaobserwowali nieuchwytne światło gwiazd otaczające niektóre z najwcześniejszych kwazarów we Wszechświecie. Odległe sygnały, które sięgają ponad 13 miliardów lat wstecz do początków Wszechświata, ujawniając wskazówki dotyczące ewolucji pierwszych czarnych dziur i galaktyk.
Kwazary to płonące centra aktywnych galaktyk, w których jądrach znajdują się nienasycone supermasywne czarne dziury. Większość galaktyk posiada centralną czarną dziurę, która może od czasu do czasu pożerać gaz i gwiezdne szczątki, generując krótki rozbłysk światła w postaci świecącego pierścienia, gdy materia wiruje w kierunku czarnej dziury.
Z kolei kwazary mogą pochłaniać ogromne ilości materii w znacznie dłuższych okresach czasu, generując niezwykle jasny i długotrwały pierścień – tak jasny, że kwazary są jednymi z najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie.
Ponieważ są tak jasne, kwazary przyćmiewają resztę galaktyki, w której się znajdują. Zespół MIT był jednak w stanie po raz pierwszy zaobserwować znacznie słabsze światło gwiazd w galaktykach macierzystych trzech starożytnych kwazarów.
Na podstawie tej nieuchwytnej poświaty gwiazd naukowcy oszacowali masę każdej galaktyki macierzystej w porównaniu z masą jej centralnej supermasywnej czarnej dziury. Okazało się, że w przypadku tych kwazarów centralne czarne dziury były znacznie masywniejsze w stosunku do galaktyk macierzystych, w porównaniu do ich współczesnych odpowiedników.
Odkrycia, opublikowane 6 maja 2024 roku w Astrophysical Journal, mogą rzucić światło na to, w jaki sposób najwcześniejsze supermasywne czarne dziury stały się tak masywne, pomimo stosunkowo krótkiego czasu kosmicznego, w którym mogły rosnąć. W szczególności, te najwcześniejsze monstrualne czarne dziury mogły wykiełkować z bardziej masywnych „nasion” niż bardziej współczesne czarne dziury.
Po powstaniu Wszechświata istniały zalążki czarnych dziur, które następnie pochłaniały materiał i rosły w bardzo krótkim czasie – powiedział autor badania Minghao Yue z Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli na MIT. Jednym z najważniejszych pytań jest zrozumienie, w jaki sposób te monstrualne czarne dziury mogły urosnąć tak duże i tak szybko.
Te czarne dziury są miliardy razy masywniejsze niż Słońce, w czasie gdy Wszechświat jest jeszcze w powijakach – powiedziała autorka badania Anna-Christina Eilers, adiunkt fizyki na MIT. Nasze wyniki sugerują, że we wczesnym Wszechświecie supermasywne czarne dziury mogły uzyskać swoją masę przed galaktykami, które były ich gospodarzami, a początkowe nasiona czarnych dziur mogły być bardziej masywne niż obecnie.
Oślepiające rdzenie
Od pierwszego odkrycia kwazarów w latach 60. XX wieku, ich niezwykła jasność była oczywista. Początkowo uważano, że światło kwazara pochodzi z pojedynczego, gwiazdopodobnego „punktowego źródła”. Jednak późniejsze obserwacje wykazały, że kwazary są zasilane przez supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk. Czarne dziury te są otoczone przez dyski akrecyjne, w których materia opada na czarną dziurę, emitując ogromne ilości energii w postaci światła. Gwiazdy w galaktykach, w których znajdują się kwazary, są znacznie słabsze w porównaniu z ich oślepiającymi rdzeniami.
Oddzielenie światła emitowanego przez centralną czarną dziurę kwazara od światła pochodzącego z gwiazd w galaktyce macierzystej jest niezwykle trudnym zadaniem. To tak, jakbyśmy próbowali rozróżnić pole świetlików wokół jaskrawego reflektora. Jednak w ostatnich latach astronomowie zyskali przewagę dzięki uruchomieniu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), który jest w stanie sięgnąć dalej w przeszłość i obserwować obiekty z większą czułością i rozdzielczością niż jakiekolwiek inne istniejące obserwatorium.
W swoich nowych badaniach Yue i Eilers wykorzystali dedykowany czas na JWST do obserwacji sześciu znanych, starożytnych kwazarów, z przerwami od jesieni 2022 roku do następnej wiosny. W sumie zespół zebrał ponad 120 godzin obserwacji sześciu odległych obiektów.
Kwazar przyćmiewa swoją galaktykę macierzystą o rzędy wielkości. A poprzednie zdjęcia nie były wystarczająco ostre, aby rozróżnić, jak wygląda galaktyka macierzysta ze wszystkimi jej gwiazdami – powiedział Yue. Teraz po raz pierwszy jesteśmy w stanie ujawnić światło tych gwiazd, bardzo dokładnie modelując znacznie ostrzejsze obrazy tych kwazarów z JWST.
Równowaga światła
Zespół zebrał dane obrazowe z (JWST) dla sześciu odległych kwazarów, z których każdy ma około 13 miliardów lat. Dane te obejmowały pomiary światła emitowanego przez każdy kwazar w różnych długościach fal. Następnie naukowcy wprowadzili te dane do modelu, który oszacował, jaka część światła pochodzi prawdopodobnie ze zwartego „źródła punktowego”, takiego jak dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, w porównaniu z bardziej rozproszonym źródłem, takim jak światło z otaczających gwiazd w galaktyce macierzystej.
Dzięki temu modelowi zespół rozdzielił światło emitowane przez każdego kwazara na dwa komponenty: światło pochodzące z dysku akrecyjnego wokół centralnej czarnej dziury oraz światło pochodzące z bardziej rozproszonych gwiazd w galaktyce macierzystej. Ilość światła z każdego źródła odpowiada jego całkowitej masie. Naukowcy oszacowali, że w przypadku tych kwazarów stosunek masy centralnej czarnej dziury do masy galaktyki macierzystej wynosił około 1:10. Odkryli, że jest to wyraźny kontrast w porównaniu z dzisiejszym stosunkiem masy wynoszącym 1:1000, co sugeruje, że niedawno uformowane czarne dziury były znacznie mniej masywne w porównaniu z ich galaktykami macierzystymi.
To mówi nam coś o tym, co rośnie pierwsze: czy to czarna dziura rośnie pierwsza, a potem galaktyka ją dogania? A może galaktyka i jej gwiazdy rosną jako pierwsze, dominując i regulując wzrost czarnej dziury? – powiedziała Eilers. Widzimy, że czarne dziury we wczesnym Wszechświecie wydają się rosnąć szybciej niż ich galaktyki macierzyste. Jest to wstępny dowód na to, że początkowe nasiona czarnych dziur mogły być wówczas bardziej masywne.
Musiał istnieć jakiś mechanizm, który sprawiał, że czarna dziura zyskiwała masę wcześniej niż jej galaktyka macierzysta w ciągu tych pierwszych miliardów lat – dodał Yue. To pierwszy dowód na to, jaki widzimy, co jest ekscytujące.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MIT
Na ilustracji: Zdjęcie z Teleskopu Jamesa Webba przedstawia kwazar J0148 zakreślony na czerwono. Dwie wstawki pokazują, na górze, centralną czarną dziurę, a na dole, emisję gwiazd z galaktyki macierzystej. Źródło: Dzięki uprzejmości badaczy; NASA
