Naukowcy odkryli, że czarna dziura we wczesnym Wszechświecie ważyła już ponad miliard mas Słońca.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, zaglądając we wczesne etapy liczącego 13,8 miliarda lat Wszechświata, dostrzegł galaktykę, która istniała zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zastanawiające jest, w jaki sposób czarna dziura znajdująca się w jej centrum mogła już ważyć miliard mas Słońca, gdy Wszechświat był jeszcze w powijakach. Obserwacje Webba miały na celu bliższe przyjrzenie się mechanizmowi karmienia, ale nie znalazły nic niezwykłego. Najwyraźniej czarne dziury rosły już w podobny sposób jak dzisiaj. Wynik jest jednak tym bardziej znaczący: może pokazać, że astronomowie wiedzą mniej o tym, jak powstają galaktyki, niż im się wydawało. A jednak pomiary wcale nie są rozczarowujące. Wręcz przeciwnie.
Pierwsze miliardy lat kosmicznej historii stanowią wyzwanie: najwcześniejsze znane czarne dziury w centrach galaktyk mają zaskakująco duże masy. W jaki sposób stały się one tak masywne tak szybko? Opisane tu nowe obserwacje dostarczają mocnych dowodów przeciwko niektórym proponowanym wyjaśnieniom, w szczególności przeciwko „ultra efektywnemu trybowi karmienia” dla najwcześniejszych czarnych dziur.
Granice wzrostu supermasywnych czarnych dziur
Gwiazdy i galaktyki uległy ogromnym zmianom w ciągu ostatnich 13,8 miliarda lat, czyli przez cały okres istnienia Wszechświata. Galaktyki stawały się coraz większe i zyskiwały coraz większą masę, pochłaniając otaczający je gaz lub (czasami) łącząc się ze sobą. Przez długi czas astronomowie zakładali, że supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk rosły stopniowo wraz z samymi galaktykami.
Jednak wzrost czarnej dziury nie może być arbitralnie szybki. Materia spadająca na czarną dziurę tworzy wirujący, gorący, jasny dysk akrecyjny. Gdy dzieje się to wokół supermasywnej czarnej dziury, powstaje aktywne jądro galaktyki. Najjaśniejsze takie obiekty, znane jako kwazary, należą do najjaśniejszych obiektów astronomicznych w całym kosmosie. Jasność ta ogranicza jednak ilość materii, która może spaść na czarną dziurę: światło wywiera ciśnienie, które może powstrzymać dodatkową materię przed wpadnięciem do środka.
W jaki sposób czarne dziury stały się tak masywne, tak szybko?
Dlatego astronomowie byli zaskoczeni, gdy w ciągu ostatnich dwudziestu lat obserwacje odległych kwazarów ujawniły bardzo młode czarne dziury, które mimo to osiągnęły masę nawet 10 miliardów mas Słońca. Światło potrzebuje czasu, aby przebyć drogę od odległego obiektu do nas, więc obserwowanie odległych obiektów oznacza spoglądanie w odległą przeszłość. Widzimy najodleglejsze znane kwazary tak, jak wyglądały w erze znanej jako kosmiczny świt, mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu, kiedy uformowały się pierwsze gwiazdy i galaktyki.
Wyjaśnienie tych wczesnych, masywnych czarnych dziur stanowi poważne wyzwanie dla obecnych modeli ewolucji galaktyk. Czy to możliwe, że wczesne czarne dziury były znacznie bardziej wydajne w akrecji gazu niż ich współczesne odpowiedniki? A może obecność pyłu mogła wpłynąć na szacunki masy kwazarów w sposób, który sprawił, że badacze przeszacowali masy wczesnych czarnych dziur? Obecnie istnieje wiele proponowanych wyjaśnień, ale żadne z nich nie jest powszechnie akceptowane.
Bliższe spojrzenie na wczesny rozwój czarnych dziur
Rozstrzygnięcie, które – jeśli w ogóle – z wyjaśnień jest poprawne, wymaga bardziej kompletnego obrazu kwazarów niż ten dostępny wcześniej. Wraz z pojawieniem się teleskopu JWST, a w szczególności jego instrumentu MIRI, zdolność astronomów do badania odległych kwazarów gigantycznie wzrosła. Do pomiaru widm odległych kwazarów, MIRI jest 4000 razy bardziej czuły niż jakikolwiek wcześniejszy instrument.
Instrumenty takie jak MIRI są budowane przez międzynarodowe konsorcja, w których naukowcy, inżynierowie i technicy ściśle ze sobą współpracują. Oczywiście konsorcjum jest bardzo zainteresowane sprawdzeniem, czy ich instrument działa tak dobrze, jak planowano. W zamian za zbudowanie instrumentu, konsorcja zazwyczaj otrzymują określony czas obserwacji. W 2019 roku, na wiele lat przed uruchomieniem JWST, europejskie konsorcjum MIRI postanowiło wykorzystać część tego czasu na obserwację najodleglejszego wówczas znanego kwazara, obiektu o oznaczeniu J1120+0641.
Obserwacja jednej z najwcześniejszych czarnych dziur
Analiza obserwacji przypadła dr Sarah Bosman z Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i członkini europejskiego konsorcjum MIRI. Wkład MPIA w instrument MIRI obejmuje budowę szeregu kluczowych części wewnętrznych. Bosman została poproszona o dołączenie do współpracy MIRI specjalnie po to, aby wnieść wiedzę specjalistyczną na temat najlepszego wykorzystania instrumentu do badania wczesnego Wszechświata, w szczególności pierwszych supermasywnych czarnych dziur.
Obserwacje zostały przeprowadzone w styczniu 2023 roku, podczas pierwszego cyklu obserwacji JWST i trwały około dwóch i pół godziny. Stanowią one pierwsze badania kwazara w średniej podczerwieni i w okresie kosmicznego świtu, zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu (przesunięcie ku czerwieni z=7). Informacje pochodzą nie z obrazu, ale z widma; tęczowego rozkładu światła obiektu na składniki o różnych długościach fal.
Śledzenie pyłu i szybko poruszającego się gazu
Ogólny kształt widma w średniej podczerwieni (kontinuum) koduje właściwości dużego torusa pyłu, który otacza dysk akrecyjny w typowych kwazarach. Torus ten pomaga kierować materię na dysk akrecyjny, „zasilając” czarną dziurę. Zła wiadomość dla tych, których preferowanym rozwiązaniem dla masywnych wczesnych czarnych dziur są alternatywne tryby szybkiego wzrostu: Torus, a co za tym idzie mechanizm karmienia w tym bardzo wczesnym kwazarze, wydaje się być taki sam jak w przypadku jego bardziej nowoczesnych odpowiedników. Jedyną różnicą jest ta, której nie przewidział żaden model szybkiego wzrostu wczesnych kwazarów: nieco niższa temperatura pyłu, o około sto kelwinów wyższa niż 1300 K stwierdzona dla najgorętszego pyłu w mniej odległych kwazarach.
Część widma o krótszej długości fali, zdominowana przez emisję z samego dysku akrecyjnego, pokazuje, że dla nas jako odległych obserwatorów światło kwazara nie jest przyćmione przez więcej niż zwykle pyłu. Argumenty, że być może po prostu przeszacowujemy masy wczesnych czarnych dziur z powodu dodatkowego pyłu, również nie są rozwiązaniem.
Wczesne kwazary „szokująco normalne”
Obszar szerokiej linii kwazara, w którym skupiska gazu krążą wokół czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła – co pozwala wnioskować o masie czarnej dziury oraz gęstości i jonizacji otaczającej materii – również wygląda normalnie. Pod względem prawie wszystkich właściwości, które można wywnioskować z widma, J1120+0641 nie różni się od kwazarów z późniejszych okresów.
Ogólnie rzecz biorąc, nowe obserwacje tylko pogłębiają tajemnicę: wczesne kwazary były szokująco normalne. Bez względu na to, na jakich długościach fal je obserwujemy, kwazary są niemal identyczne we wszystkich epokach Wszechświata – powiedziała Bosman. Najwyraźniej nie tylko same supermasywne czarne dziury, ale także mechanizmy ich zasilania były już całkowicie „dojrzałe”, gdy Wszechświat miał zaledwie 5% swojego obecnego wieku. Wykluczając szereg alternatywnych rozwiązań, wyniki te silnie wspierają ideę, że supermasywne czarne dziury od samego początku miały znaczną masę, w astronomicznym żargonie mówi się, że są „pierwotne”. Supermasywne czarne dziury nie powstały z pozostałości po wczesnych gwiazdach, a następnie bardzo szybko stały się masywne. Musiały uformować się wcześnie z masami początkowymi wynoszącymi co najmniej sto tysięcy mas Słońca, prawdopodobnie w wyniku zapadania się masywnych wczesnych obłoków gazu.
Wyniki pracy zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
MPG
