Supermasywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie podważają teorie kosmologiczne

Artystyczna wizja jasnego rdzenia kwazara – aktywnej galaktyki. Supermasywna czarna dziura w centrum jest otoczona jasnym dyskiem gazu i pyłu. Najbardziej zewnętrzny składnik pyłu może przesłaniać widok na wnętrze i świeci głównie w zakresie średniej podczerwieni, czyli światła, które może być analizowane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Wiązka cząstek o wysokiej energii wylatuje w przestrzeń z bezpośredniego sąsiedztwa czarnej dziury, prostopadle do dysku. Prawa autorskie: © T. Müller / MPIA

Nie jest to zaskakujące: czarna dziura ważyła już ponad miliard mas Słońca we wczesnym Wszechświecie, pomimo średniego apetytu.

Patrząc na wczesne stadia wszechświata, które mają 13,8 miliarda lat, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Obserwował galaktykę taką, jaka istniała zaledwie 700 milionów lat temu wielka eksplozja. Zastanawiające jest, jak Czarna dziura Czarne dziury w jej centrum ważyły ​​już miliard mas Słońca, gdy Wszechświat był jeszcze w powijakach. Obserwacje Jamesa Webba miały na celu bliższe przyjrzenie się mechanizmowi zasilania, ale nie znalazł niczego niezwykłego. Najwyraźniej czarne dziury rosły już w sposób podobny do tego, co dzieje się dzisiaj. Ale odkrycie jest jeszcze ważniejsze: pokazuje, że astronomowie wiedzą mniej o tym, jak powstają galaktyki, niż sądzili. Jednak pomiary w żadnym wypadku nie rozczarowują. Przeciwnie.

Tajemnica wczesnych czarnych dziur

Pierwszy miliard lat historii Wszechświata stanowi poważne wyzwanie: najstarsze znane czarne dziury w centrach galaktyk miały zaskakująco masywne masy. Jak to się stało, że tak szybko stało się tak duże? Opisane tutaj nowe obserwacje dostarczają mocnych dowodów przeciwko niektórym proponowanym wyjaśnieniom, zwłaszcza przeciwko „ultra wydajnemu trybowi zasilania” pierwszych czarnych dziur.

Ograniczenia wzrostu supermasywnych czarnych dziur

Gwiazdy i galaktyki zmieniły się dramatycznie w ciągu ostatnich 13,8 miliardów lat, czyli wieku Wszechświata. Galaktyki stały się większe i zyskały większą masę, pochłaniając otaczający je gaz lub (czasami) łącząc się ze sobą. Przez długi czas astronomowie zakładali, że masywne czarne dziury w centrach galaktyk będą stopniowo rosły wzdłuż samych galaktyk.

Jednak wzrost czarnej dziury nie może być dowolnie szybki. Materia opadająca na czarną dziurę tworzy gorący, jasny „dysk akrecyjny”. Kiedy dzieje się to wokół supermasywnej czarnej dziury, w rezultacie powstaje aktywne jądro galaktyczne. Najjaśniejsze z tych obiektów, znane jako kwazary, należą do najjaśniejszych obiektów astronomicznych w całym wszechświecie. Jednak ta jasność ogranicza ilość materii, która może spaść na czarną dziurę: światło wywiera ciśnienie, które może zapobiec opadaniu dodatkowej materii.

Jak czarne dziury stały się tak masywne w tak krótkim czasie?

Dlatego astronomowie byli zaskoczeni, gdy obserwacje odległych kwazarów prowadzone w ciągu ostatnich 20 lat ujawniły nowo powstałe czarne dziury, których masa osiągnęła dziesięć miliardów mas Słońca. Światło potrzebuje dużo czasu, aby dotrzeć do nas z odległego obiektu, więc patrzenie na odległe obiekty oznacza patrzenie w odległą przeszłość. Widzimy najdalsze znane kwazary, jakie istniały w epoce zwanej „świtem wszechświata”, niecałe miliard lat po Wielkim Wybuchu, kiedy powstały pierwsze gwiazdy i galaktyki.

Wyjaśnienie tych wczesnych masywnych czarnych dziur stanowi główne wyzwanie dla obecnych modeli ewolucji galaktyk. Czy wczesne czarne dziury mogły być bardziej wydajne w gromadzeniu gazu niż ich współczesne odpowiedniki? A może obecność pyłu mogła wpłynąć na szacunki masy kwazara w sposób, który doprowadził badaczy do przeszacowania masy wczesnych czarnych dziur? Obecnie proponowanych jest wiele wyjaśnień, ale żadne z nich nie jest powszechnie akceptowane.

Bliższe spojrzenie na wczesny rozwój czarnej dziury

Ustalenie, które wyjaśnienia są poprawne – jeśli w ogóle – wymaga pełniejszego obrazu kwazarów, niż był wcześniej dostępny. Wraz z pojawieniem się Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, a konkretnie instrumentu średniej podczerwieni MIRI, możliwości astronomów w zakresie badania odległych kwazarów znacznie wzrosły. Podczas pomiaru widm odległych kwazarów MIRI jest około 4000 razy bardziej czuły niż jakikolwiek poprzedni instrument.

Instrumenty takie jak MIRI są budowane przez międzynarodowe konsorcja, w których naukowcy, inżynierowie i technicy ściśle ze sobą współpracują. Konsorcjum jest oczywiście żywo zainteresowane przetestowaniem, czy ich narzędzie działa zgodnie z planem. W zamian za zbudowanie narzędzia konsorcjum zazwyczaj otrzymuje określoną ilość czasu na monitorowanie. W 2019 roku, wiele lat przed wystrzeleniem JWST, europejskie konsorcjum MIRI zdecydowało się wykorzystać część tego czasu na obserwację najdalszego znanego wówczas kwazara, obiektu nazwanego J1120+0641.

Obserwacja jednej z najstarszych czarnych dziur

Obserwacje zostały przeanalizowane przez dr Sarah Bosman, badaczkę ze stopniem doktora w Instytucie Astronomii Maxa Plancka i członkinię europejskiego konsorcjum MIRI. Wkład MPIA w instrument MIRI obejmuje budowę szeregu kluczowych części wewnętrznych. Boseman został poproszony o przyłączenie się do współpracy MIRI szczególnie po to, aby zapewnić specjalistyczną wiedzę na temat najlepszego wykorzystania instrumentu do badania wczesnego Wszechświata, zwłaszcza pierwszych supermasywnych czarnych dziur.

Obserwacje wykonano w styczniu 2023 roku, podczas pierwszego cyklu obserwacji Teleskopu Jamesa Webba i trwały około dwóch i pół godziny. Stanowi pierwsze badanie kwazara w średniej podczerwieni podczas kosmicznego okresu świtu, zaledwie 770 milionów lat po Wielkim Wybuchu (przesunięcie ku czerwieni z=7). Informacja nie pochodzi z obrazu, ale z widma: rozkładu światła obiektu na składniki o różnych długościach fal, podobnie jak w przypadku tęczy.

Śledź szybko poruszający się pył i gaz

Ogólny kształt widma średniej podczerwieni („ciągłego”) koduje charakterystykę dużego pierścienia pyłu otaczającego dysk akrecyjny w typowych kwazarach. Pierścień ten pomaga skierować materię do dysku akrecyjnego, „zasilając” czarną dziurę. Zła wiadomość dla tych, którzy wolą rozwiązać problem wczesnych masywnych czarnych dziur, leży w alternatywnych metodach szybkiego wzrostu: pierścień, a tym samym mechanizm zasilania tego bardzo wczesnego kwazara, wydaje się być taki sam, jak w przypadku jego bardziej nowoczesnych odpowiedników. Jedyną różnicą jest coś, czego nie przewidział żaden model wczesnego szybkiego wzrostu kwazarów: temperatura pyłu jest nieco wyższa, o około sto kelwinów wyższa niż 1300 kelwinów występująca w gorętszym pyle w mniej odległych kwazarach.

Część widma o krótszej długości fali, zdominowana przez emisję z samego dysku akrecyjnego, pokazuje nam odległym obserwatorom, że światło kwazara nie jest przyćmione większą ilością pyłu niż zwykle. Argumenty, że możemy przeszacowywać masę wczesnej czarnej dziury z powodu dodatkowego pyłu, również nie są odpowiedzią.

Wczesne kwazary „szokująco normalne”

Obszar o zarysie kwazara, w którym skupiska gazu krążą wokół czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła – umożliwiając wnioskowanie o masie czarnej dziury oraz gęstości i jonizacji otaczającej materii – również wydaje się normalny. Według prawie wszystkich cech, które można wywnioskować z widma, J1120+0641 nie różni się od kwazarów z późniejszych czasów.

„Ogólnie rzecz biorąc, nowe obserwacje zwiększają zagadkę: wczesne kwazary były szokująco normalne. Bez względu na długość fali, na której je obserwujemy, kwazary są prawie identyczne we wszystkich epokach Wszechświata” – mówi Bosman. Nie tylko same supermasywne czarne dziury, ale także ich mechanizmy odżywiania były w pełni „dojrzałe”, gdy Wszechświat miał zaledwie 5% swojego obecnego wieku. Wykluczając szereg alternatywnych rozwiązań, wyniki silnie potwierdzają pogląd, że supermasywne czarne dziury od początku miały duże masy, zgodnie z terminologią astronomiczną: „pierwotne” lub „masywne”. Supermasywne czarne dziury nie powstały z pozostałości wczesnych gwiazd, ale potem rosły bardzo szybko. Musiały powstać wcześnie, a ich początkowe masy wynosiły co najmniej 100 000 mas Słońca, być może w wyniku zapadnięcia się masywnych wczesnych obłoków gazu.

Odniesienie: „Dojrzały kwazar u początków wszechświata wykryty za pomocą spektroskopii w podczerwieni w ramce stacjonarnej JWST”: Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. Greif, Gillian Wright, Arjan Beck, Leandert Bogarde, Karina Capote, Luca Constantin, Andreas Eckart, Macarena Garcia Marin, Stephen Gelmann, Jens Hjorth, Edoardo Ianni, Olivier Ilbert, Iris German, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Biesker, Pierluigi Rinaldi , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Godel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock i Bart Vandenbosche, 17 czerwca 2024 r., Astronomia naturalna.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0