Αποκαλύπτοντας την προέλευση των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών

Μαύρες τρύπες εξαιρετικά μεγάλων μαζών – περισσότερο από ένα εκατομμύριο φορές τη μάζα του Ήλιου, γνωστές ως υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH) – βρίσκονται συνήθως στο σύμπαν σήμερα. Ωστόσο, η προέλευσή τους, καθώς και οι λεπτομέρειες για το πότε, πού και πώς εμφανίστηκαν κατά τη διάρκεια των 13,8 δισεκατομμυρίων ετών κοσμικής εξέλιξης, παραμένουν ένα μυστήριο.

Η έρευνα των τελευταίων δεκαετιών δείχνει ότι μικροί, εξαιρετικά μεγάλοι γαλαξίες βρίσκονται στον πυρήνα κάθε γαλαξία και ότι η μάζα τους είναι πάντα το ένα χιλιοστό της μάζας του γαλαξία που τους φιλοξενεί.

Αυτή η στενή σχέση δείχνει ότι οι γαλαξίες και οι υπερμεγέθεις γαλαξίες εξελίχθηκαν μαζί. Ως εκ τούτου, η αποκάλυψη της προέλευσης των μεγάλων αστεριών είναι ζωτικής σημασίας όχι μόνο για την κατανόηση των ίδιων των μεγάλων πλανητών, αλλά και για την αποσαφήνιση των διαδικασιών σχηματισμού των γαλαξιών, βασικών συστατικών του παρατηρήσιμου σύμπαντος.

Το κλειδί για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος βρίσκεται στην αρχή του σύμπαντος, καθώς έχει περάσει χρόνος από τότε που εμφανίστηκε το σύμπαν η μεγάλη έκρηξη (εννοεί την αρχή του σύμπαντος) ήταν λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Χάρη στην πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός, μπορούμε να κοιτάξουμε στο παρελθόν παρατηρώντας το μακρινό σύμπαν. Υπήρχαν πραγματικά μικρού και μεσαίου μεγέθους αντικείμενα όταν το σύμπαν ήταν μόλις ένα δισεκατομμύριο ετών ή λιγότερο;

Ένα παράδειγμα εικόνας του νυχτερινού ουρανού που τραβήξαμε με το τηλεσκόπιο Subaru. Η μικρή κόκκινη κουκκίδα στο κέντρο της μεγεθυσμένης εικόνας αντιπροσωπεύει το φως που προέρχεται από ένα μακρινό κβάζαρ, το οποίο υπήρχε όταν το σύμπαν ήταν ηλικίας 800 εκατομμυρίων ετών (13 δισεκατομμυρίων ετών φωτός). Πίστωση: Εθνικό Αστρονομικό Αστεροσκοπείο της Ιαπωνίας

είναι δυνατόν να Μαύρη τρύπα Για να αποκτήσετε μια τόσο μεγάλη μάζα (πάνω από ένα εκατομμύριο ηλιακές μάζες και μερικές φορές φτάνοντας σε δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες) σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα; Εάν ναι, ποιοι είναι οι υποκείμενοι φυσικοί μηχανισμοί και συνθήκες; Για να προσεγγίσει κανείς την προέλευση μικρού και μεσαίου μεγέθους αντικειμένων, χρειάζεται να τα παρατηρήσει και να συγκρίνει τις ιδιότητές τους με προβλέψεις από θεωρητικά μοντέλα. Για να γίνει αυτό, πρέπει πρώτα να προσδιορίσετε πού βρίσκονται στον ουρανό.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε το τηλεσκόπιο Subaru που βρίσκεται στην κορυφή του όρους Mauna Kea στη Χαβάη για τη διεξαγωγή αυτής της μελέτης. Ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα της Subaru είναι η ικανότητα επιτήρησης ευρείας εμβέλειας και είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για αυτόν τον σκοπό.

Δεδομένου ότι τα εξαιρετικά λεπτά αντικείμενα δεν εκπέμπουν φως, η ομάδα αναζήτησε μια ειδική κατηγορία που ονομάζεται κβάζαρ – μικρά εξαιρετικά λεπτά αντικείμενα με φωτεινά κρόσσια όπου το υλικό που πέφτει απελευθερώνει βαρυτική ενέργεια. Παρατήρησαν μια ευρεία περιοχή του ουρανού που ισοδυναμεί με 5.000 φορές την πανσέληνο και ανακάλυψαν με επιτυχία 162 κβάζαρ που κατοικούσαν στο πρώιμο σύμπαν. Συγκεκριμένα, 22 από αυτά τα κβάζαρ υπήρχαν σε μια εποχή που το σύμπαν ήταν ηλικίας μικρότερης των 800 εκατομμυρίων ετών, η παλαιότερη περίοδος κατά την οποία έχουν εντοπιστεί κβάζαρ μέχρι σήμερα.

Ο μεγάλος αριθμός των κβάζαρ που ανιχνεύθηκαν τους επέτρεψε να προσδιορίσουν μια βασική μέτρηση που ονομάζεται “συνάρτηση φωτεινότητας”, η οποία περιγράφει τη χωρική πυκνότητα των κβάζαρ ως συνάρτηση της ακτινοβολίας. Διαπίστωσαν ότι τα κβάζαρ σχηματίζονταν πολύ γρήγορα στο πρώιμο σύμπαν, ενώ το συνολικό σχήμα της συνάρτησης φωτεινότητας (εξαιρουμένου του πλάτους) παρέμεινε αμετάβλητο με την πάροδο του χρόνου.

Η συνάρτηση φωτεινότητας περιγράφει την πυκνότητα του χώρου (Φ στον κατακόρυφο άξονα) ως συνάρτηση της ενέργειας ακτινοβολίας (M1450 στον οριζόντιο άξονα). Σχεδιάζουμε συναρτήσεις φωτεινότητας για κβάζαρ που παρατηρήθηκαν όταν το σύμπαν ήταν 0,8 (κόκκινες κουκκίδες), 0,9 (πράσινα διαμάντια), 1,2 (μπλε τετράγωνα) και 1,5 (μαύρα τρίγωνα) δισεκατομμυρίων ετών. Οι καμπύλες αντιπροσωπεύουν τα πιο κατάλληλα λειτουργικά σχήματα. Η χωρική πυκνότητα των κβάζαρ έχει αυξηθεί απότομα με την πάροδο του χρόνου, ενώ το σχήμα της συνάρτησης φωτεινότητας έχει παραμείνει ουσιαστικά αμετάβλητο. Credit: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

Αυτή η ξεχωριστή συμπεριφορά της συνάρτησης φωτεινότητας παρέχει ισχυρούς περιορισμούς σε θεωρητικά μοντέλα, τα οποία μπορούν τελικά να αναπαράγουν όλα τα παρατηρήσιμα στοιχεία και να περιγράψουν την προέλευση των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.

Από την άλλη πλευρά, ήταν γνωστό ότι το σύμπαν είχε υποστεί μια μεγάλη μετάβαση που ονομάζεται «κοσμικός επαναιονισμός» στην πρώιμη φάση του. Προηγούμενες παρατηρήσεις δείχνουν ότι ολόκληρος ο διαγαλαξιακός χώρος ιονίστηκε σε αυτό το γεγονός. Η πηγή της ενέργειας ιονισμού είναι ακόμα υπό συζήτηση, με την ακτινοβολία από κβάζαρ να είναι ένας πολλά υποσχόμενος υποψήφιος.

Ενσωματώνοντας τη συνάρτηση φωτεινότητας που αναφέρθηκε παραπάνω, βρήκαμε ότι τα κβάζαρ εκπέμπουν 10²⁸ φωτόνια ανά δευτερόλεπτο σε μέγεθος μονάδας 1 Ετος φωτός σε μια πλευρά του πρώιμου σύμπαντος. Αυτό είναι λιγότερο από το 1% των φωτονίων που απαιτούνται για τη διατήρηση της ιονισμένης κατάστασης του διαγαλαξιακού χώρου εκείνη τη στιγμή, και έτσι δείχνει ότι τα κβάζαρ συνέβαλαν μόνο σε μικρή συνεισφορά στον κοσμικό επαναιονισμό. Άλλες πηγές ενέργειας χρειάζονται απεγνωσμένα, οι οποίες, σύμφωνα με άλλες πρόσφατες παρατηρήσεις, μπορεί να είναι η συμπαγής ακτινοβολία από τεράστια θερμά αστέρια που σχηματίζουν γαλαξίες.

Αναφορά: «Συνάρτηση φωτεινότητας Quasar στο z = 7» από τους Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, Jun D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang και Takuji Yamashita, 6 Ιουνίου 2023, ο Επιστολές Αστροφυσικού Περιοδικού.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από την Ιαπωνική Ένωση για την Προώθηση της Επιστήμης, το Ίδρυμα Mitsubishi και το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας.