Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο πρώιμο σύμπαν αμφισβητούν τις κοσμολογικές θεωρίες

Δεν προκαλεί έκπληξη: η μαύρη τρύπα ζύγιζε ήδη περισσότερες από ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες στο πρώιμο σύμπαν παρά τη μέση όρεξή της.

Εξετάζοντας τα πρώτα στάδια του σύμπαντος, το οποίο είναι 13,8 δισεκατομμυρίων ετών, Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb Παρατήρησε έναν γαλαξία που υπήρχε μόλις πριν από 700 εκατομμύρια χρόνια η μεγάλη έκρηξη. Είναι μπερδεμένο πώς Μαύρη τρύπα Οι μαύρες τρύπες στο κέντρο της θα ζύγιζαν ήδη ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες όταν το σύμπαν ήταν ακόμη στα σπάργανα. Οι παρατηρήσεις του James Webb σχεδιάστηκαν για να ρίξουν μια πιο προσεκτική ματιά στον μηχανισμό τροφοδοσίας, αλλά δεν βρήκε τίποτα το ασυνήθιστο. Σαφώς, οι μαύρες τρύπες αυξάνονταν ήδη με παρόμοιο τρόπο με αυτό που συμβαίνει σήμερα. Αλλά το εύρημα είναι ακόμη πιο σημαντικό: Δείχνει ότι οι αστρονόμοι γνωρίζουν λιγότερα για το πώς σχηματίζονται οι γαλαξίες από ό,τι νόμιζαν. Ωστόσο, οι μετρήσεις δεν είναι καθόλου απογοητευτικές. Αντιθέτως.

Το μυστήριο των πρώιμων μαύρων τρυπών

Τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του σύμπαντος αποτελούν μια μεγάλη πρόκληση: οι παλαιότερες γνωστές μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών είχαν εκπληκτικά τεράστιες μάζες. Πώς έγινε τόσο μεγάλο τόσο γρήγορα; Οι νέες παρατηρήσεις που περιγράφονται εδώ παρέχουν ισχυρές αποδείξεις ενάντια σε ορισμένες από τις προτεινόμενες εξηγήσεις, ειδικά ενάντια στον «εξαιρετικά αποδοτικό τρόπο τροφοδοσίας» των πρώτων μαύρων τρυπών.

Όρια στην ανάπτυξη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών

Τα αστέρια και οι γαλαξίες έχουν αλλάξει δραματικά τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, την ηλικία του σύμπαντος. Οι γαλαξίες έχουν γίνει μεγαλύτεροι και έχουν αποκτήσει μεγαλύτερη μάζα, είτε καταναλώνοντας το αέριο που τους περιβάλλει είτε (μερικές φορές) με τη συγχώνευση μεταξύ τους. Για πολύ καιρό, οι αστρονόμοι υπέθεταν ότι τεράστιες μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών θα είχαν σταδιακά αναπτυχθεί παράλληλα με τους ίδιους τους γαλαξίες.

Αλλά η ανάπτυξη της μαύρης τρύπας δεν μπορεί να είναι αυθαίρετα γρήγορη. Το υλικό που πέφτει πάνω στη μαύρη τρύπα σχηματίζει έναν καυτό, φωτεινό «δίσκο προσαύξησης». Όταν αυτό συμβαίνει γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, το αποτέλεσμα είναι ένας ενεργός γαλαξιακός πυρήνας. Τα φωτεινότερα από αυτά τα αντικείμενα, γνωστά ως κβάζαρ, είναι από τα φωτεινότερα αστρονομικά αντικείμενα σε ολόκληρο το σύμπαν. Αλλά αυτή η φωτεινότητα περιορίζει την ποσότητα της ύλης που μπορεί να πέσει στη μαύρη τρύπα: το φως ασκεί πίεση που μπορεί να αποτρέψει την πτώση πρόσθετης ύλης.

Πώς οι μαύρες τρύπες έγιναν τόσο μεγάλες τόσο γρήγορα;

Γι' αυτό οι αστρονόμοι εξεπλάγησαν όταν οι παρατηρήσεις μακρινών κβάζαρ τα τελευταία 20 χρόνια αποκάλυψαν νεοσχηματισμένες μαύρες τρύπες, ωστόσο η μάζα τους έφτασε τα δέκα δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Χρειάζεται πολύς χρόνος για να ταξιδέψει το φως από ένα μακρινό αντικείμενο προς εμάς, επομένως κοιτάζοντας μακρινά αντικείμενα σημαίνει να κοιτάξουμε στο μακρινό παρελθόν. Βλέπουμε τα πιο μακρινά γνωστά κβάζαρ όπως υπήρχαν σε μια εποχή γνωστή ως «αυγή του σύμπαντος», λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες.

Η εξήγηση αυτών των πρώιμων τεράστιων μαύρων τρυπών αποτελεί σημαντική πρόκληση για τα σημερινά μοντέλα εξέλιξης των γαλαξιών. Θα μπορούσαν οι πρώιμες μαύρες τρύπες να είναι πιο αποτελεσματικές στη συσσώρευση αερίου από τις σύγχρονες αντίστοιχές τους; Ή μήπως η παρουσία σκόνης επηρεάζει τις εκτιμήσεις μάζας κβάζαρ με τρόπο που οδήγησε τους ερευνητές να υπερεκτιμήσουν τη μάζα των πρώιμων μαύρων τρυπών; Υπάρχουν πολλές εξηγήσεις που προτείνονται αυτή τη στιγμή, αλλά καμία δεν είναι ευρέως αποδεκτή.

Μια πιο προσεκτική ματιά στην πρώιμη ανάπτυξη μιας μαύρης τρύπας

Ο προσδιορισμός των σωστών εξηγήσεων, εάν υπάρχουν, απαιτεί μια πληρέστερη εικόνα των κβάζαρ από ό,τι ήταν προηγουμένως διαθέσιμη. Με την εμφάνιση του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb, και συγκεκριμένα του οργάνου MIRI μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας, η ικανότητα των αστρονόμων να μελετούν μακρινά κβάζαρ έχει κάνει τεράστιο άλμα. Κατά τη μέτρηση των φασμάτων των μακρινών κβάζαρ, το MIRI είναι περίπου 4.000 φορές πιο ευαίσθητο από οποιοδήποτε προηγούμενο όργανο.

Όργανα όπως το MIRI κατασκευάζονται από διεθνείς κοινοπραξίες, όπου επιστήμονες, μηχανικοί και τεχνικοί συνεργάζονται στενά. Φυσικά, η κοινοπραξία ενδιαφέρεται έντονα να δοκιμάσει εάν το εργαλείο της λειτουργεί όπως είχε προγραμματιστεί. Σε αντάλλαγμα για την κατασκευή του εργαλείου, η κοινοπραξία λαμβάνει συνήθως έναν ορισμένο χρόνο παρακολούθησης. Το 2019, χρόνια πριν από την κυκλοφορία του JWST, η Ευρωπαϊκή Κοινοπραξία MIRI αποφάσισε να χρησιμοποιήσει λίγο από αυτόν τον χρόνο για να παρατηρήσει αυτό που ήταν τότε το πιο μακρινό γνωστό κβάζαρ, ένα αντικείμενο που ονομάστηκε J1120+0641.

Παρατηρώντας μια από τις παλαιότερες μαύρες τρύπες

Οι παρατηρήσεις αναλύθηκαν από την Δρ Sarah Bosman, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Αστρονομίας Max Planck και μέλος της Ευρωπαϊκής Κοινοπραξίας MIRI. Οι συνεισφορές της MPIA στο όργανο MIRI περιλαμβάνουν την κατασκευή ορισμένων βασικών εσωτερικών εξαρτημάτων. Ο Boseman κλήθηκε να συμμετάσχει στη συνεργασία του MIRI ειδικά για να παράσχει τεχνογνωσία σχετικά με τον καλύτερο τρόπο χρήσης του οργάνου για τη μελέτη του πρώιμου σύμπαντος, ειδικά των πρώτων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.

Οι παρατηρήσεις έγιναν τον Ιανουάριο του 2023, κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου παρατηρήσεων από το τηλεσκόπιο James Webb, και διήρκεσαν περίπου δυόμισι ώρες. Αντιπροσωπεύει την πρώτη μελέτη στο μέσο υπέρυθρο ενός κβάζαρ κατά την περίοδο της κοσμικής αυγής, μόλις 770 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (redshift z=7). Οι πληροφορίες δεν προέρχονται από μια εικόνα, αλλά από ένα φάσμα: την αποσύνθεση του φωτός ενός αντικειμένου σε συστατικά διαφορετικών μηκών κύματος, παρόμοια με ένα ουράνιο τόξο.

Παρακολουθήστε τη σκόνη και το αέριο που κινείται γρήγορα

Το γενικό σχήμα του μεσαίου υπέρυθρου (“συνεχούς”) φάσματος κωδικοποιεί τα χαρακτηριστικά ενός μεγάλου δακτυλίου σκόνης που περιβάλλει τον δίσκο προσαύξησης σε τυπικά κβάζαρ. Αυτός ο δακτύλιος βοηθά να κατευθύνει την ύλη στον δίσκο προσαύξησης, «τροφοδοτώντας» τη μαύρη τρύπα. Τα κακά νέα για όσους προτιμούν να λύσουν το πρόβλημα των πρώιμων ογκωδών μαύρων τρυπών βρίσκονται σε εναλλακτικές μεθόδους ταχείας ανάπτυξης: ο δακτύλιος, και επομένως ο μηχανισμός τροφοδοσίας σε αυτό το πολύ πρώιμο κβάζαρ, φαίνεται να είναι ο ίδιος με τους πιο σύγχρονους ομολόγους του. Η μόνη διαφορά είναι κάτι που κανένα μοντέλο πρώιμης ταχείας ανάπτυξης κβάζαρ δεν προέβλεψε: η θερμοκρασία της σκόνης είναι ελαφρώς υψηλότερη, περίπου εκατό Kelvins θερμότερη από τα 1.300 Kelvins που βρέθηκαν στην πιο καυτή σκόνη σε λιγότερο απομακρυσμένα κβάζαρ.

Το μικρότερου μήκους κύματος τμήμα του φάσματος, που κυριαρχείται από εκπομπές από τον ίδιο τον δίσκο προσαύξησης, μας δείχνει στους μακρινούς παρατηρητές ότι το φως του κβάζαρ δεν μειώνεται από περισσότερη σκόνη από ό,τι συνήθως. Τα επιχειρήματα ότι μπορεί να υπερεκτιμούμε την πρώιμη μάζα της μαύρης τρύπας λόγω επιπλέον σκόνης δεν είναι επίσης η απάντηση.

Τα πρώιμα κβάζαρ είναι «σοκαριστικά φυσιολογικά»

Η περιοχή με τα περιγράμματα ενός κβάζαρ, όπου συστάδες αερίου περιφέρονται γύρω από τη μαύρη τρύπα με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός – επιτρέποντας συμπεράσματα για τη μάζα της μαύρης τρύπας και την πυκνότητα και τον ιονισμό της περιβάλλουσας ύλης – φαίνεται επίσης φυσιολογική. Σύμφωνα με όλα σχεδόν τα χαρακτηριστικά που μπορούν να συναχθούν από το φάσμα, το J1120+0641 δεν διαφέρει από τα κβάζαρ μεταγενέστερων εποχών.

“Συνολικά, οι νέες παρατηρήσεις προσθέτουν στο μυστήριο: τα πρώιμα κβάζαρ ήταν συγκλονιστικά φυσιολογικά. Ανεξάρτητα από τα μήκη κύματος που τα παρατηρούμε, τα κβάζαρ είναι σχεδόν πανομοιότυπα σε όλες τις εποχές του σύμπαντος”, λέει ο Bosman. Όχι μόνο οι ίδιες οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, αλλά και οι μηχανισμοί τροφοδοσίας τους ήταν πλήρως «ώριμοι» όταν το σύμπαν ήταν μόλις το 5% της τρέχουσας ηλικίας του. Αποκλείοντας μια σειρά εναλλακτικών λύσεων, τα αποτελέσματα υποστηρίζουν έντονα την ιδέα ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ξεκίνησαν με μεγάλες μάζες από την αρχή, στην ορολογία της αστρονομίας: «αρχέγονες» ή «μεγάλες». Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες δεν σχηματίστηκαν από τα υπολείμματα των πρώιμων άστρων, αλλά στη συνέχεια μεγάλωσαν πολύ γρήγορα. Πρέπει να σχηματίστηκαν νωρίς με αρχικές μάζες τουλάχιστον 100.000 ηλιακών μαζών, ίσως από την κατάρρευση τεράστιων πρώιμων νεφών αερίου.

Αναφορά: «Ένα ώριμο κβάζαρ στην αυγή του σύμπαντος που ανιχνεύθηκε με φασματοσκοπία υπερύθρων σταθερού πλαισίου JWST» από Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Thomas R. Östlin, 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 Germain, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Bikeri , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Godel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock and Bart Vandenbosche, 17 Ιουνίου 2024, Φυσική αστρονομία.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0