Οι παρατηρήσεις του JWST αποκαλύπτουν ένα ώριμο κβάζαρ την κοσμική αυγή

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb παρατήρησε έναν γαλαξία στο πολύ πρώιμο σύμπαν. Κοιτάζοντας πίσω, έγινε σαφές ότι το φως από τον γαλαξία που ονομάζεται J1120+0641 χρειάστηκε σχεδόν τόσο χρόνο για να φτάσει στη Γη όσο χρειάστηκε το σύμπαν για να εξελιχθεί μέχρι σήμερα. Δεν είναι δυνατόν να εξηγηθεί πώς η μαύρη τρύπα στο κέντρο της θα μπορούσε να ζύγιζε πάνω από ένα δισεκατομμύριο ηλιακές μάζες εκείνη την εποχή, όπως έδειξαν ανεξάρτητες μετρήσεις. Τα αποτελέσματα είναι δημοσίευσε Στο περιοδικό Αστρονομία της φύσης.

Οι πρόσφατες παρατηρήσεις της ύλης κοντά στη μαύρη τρύπα υποτίθεται ότι αποκάλυψαν έναν ιδιαίτερα αποτελεσματικό μηχανισμό τροφοδοσίας, αλλά δεν βρήκαν τίποτα συγκεκριμένο. Αυτό το αποτέλεσμα είναι το πιο εκπληκτικό: μπορεί να σημαίνει ότι οι αστροφυσικοί καταλαβαίνουν λιγότερα για την εξέλιξη των γαλαξιών από ό,τι νόμιζαν. Ωστόσο, δεν είναι σε καμία περίπτωση απογοητευτικό.

Τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια της κοσμικής ιστορίας αποτελούν μια πρόκληση: οι παλαιότερες γνωστές μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών έχουν εκπληκτικά μεγάλες μάζες. Πώς έγιναν τόσο μεγάλα και τόσο γρήγορα; Οι νέες παρατηρήσεις που περιγράφονται εδώ παρέχουν ισχυρές αποδείξεις ενάντια σε ορισμένες προτεινόμενες εξηγήσεις, ιδίως ενάντια στον «εξαιρετικά αποδοτικό τρόπο τροφοδοσίας» των πρώτων μαύρων τρυπών.

Όρια στην υπερμεγέθη ανάπτυξη μαύρης τρύπας

Τα αστέρια και οι γαλαξίες έχουν αλλάξει δραματικά τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, την ηλικία του σύμπαντος. Οι γαλαξίες μεγάλωσαν και απέκτησαν μεγαλύτερη μάζα, είτε καταναλώνοντας το αέριο που τους περιβάλλει είτε (μερικές φορές) συγχωνεύοντας μεταξύ τους. Για πολύ καιρό, οι αστρονόμοι υπέθεταν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών αυξάνονταν σταδιακά μαζί με τους ίδιους τους γαλαξίες.

Αλλά η ανάπτυξη μιας μαύρης τρύπας δεν μπορεί να είναι αυθαίρετα γρήγορη. Το υλικό που πέφτει πάνω στη μαύρη τρύπα σχηματίζει έναν περιστρεφόμενο, 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 μαζικές και τόσο γρήγορα;

Γι' αυτό οι αστρονόμοι εξεπλάγησαν όταν, τα τελευταία 20 χρόνια, οι παρατηρήσεις μακρινών κβάζαρ αποκάλυψαν πολύ μικρές μαύρες τρύπες που ωστόσο έφτασαν σε μάζες έως και 10 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Χρειάζεται χρόνος για να ταξιδέψει το φως από ένα μακρινό αντικείμενο σε εμάς, επομένως κοιτάζοντας μακρινά αντικείμενα σημαίνει να κοιτάξουμε στο μακρινό παρελθόν. Βλέπουμε τα πιο μακρινά γνωστά κβάζαρ όπως υπήρχαν σε μια εποχή γνωστή ως «κοσμική αυγή», 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 αντιπροσωπεύει μια σημαντική πρόκληση για τα τρέχοντα μοντέλα εξέλιξης των γαλαξιών. Θα μπορούσαν οι πρώιμες μαύρες τρύπες να είναι πιο αποτελεσματικές στη συσσώρευση αερίου από τις σύγχρονες αντίστοιχές τους; Ή θα μπορούσε η παρουσία σκόνης να επηρεάσει τις εκτιμήσεις μάζας κβάζαρ με τρόπο που έκανε τους ερευνητές να υπερεκτιμήσουν τις μάζες 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 ποια από αυτές τις εξηγήσεις – εάν υπάρχουν – είναι σωστή απαιτεί μια πληρέστερη εικόνα των κβάζαρ από ό,τι ήταν προηγουμένως διαθέσιμη. Με την έλευση του διαστημικού τηλεσκοπίου JWST, και συγκεκριμένα του οργάνου MIRI του μέσου υπέρυθρου του τηλεσκοπίου, η ικανότητα των αστρονόμων να μελετούν μακρινά κβάζαρ έχει κάνει τεράστιο άλμα. Για τη μέτρηση των φασμάτων των μακρινών κβάζαρ, το MIRI είναι 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 οι συσκευές τους λειτουργούν όπως προβλέπεται.

Σε αντάλλαγμα για την κατασκευή του εργαλείου, οι κοινοπραξίες λαμβάνουν συνήθως έναν ορισμένο χρόνο παρακολούθησης. Το 2019, χρόνια πριν από την εκτόξευση του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb, 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 με την ονομασία J1120+0641.

Παρατηρώντας μια από τις παλαιότερες μαύρες τρύπες

Την ευθύνη για την ανάλυση των παρατηρήσεων έχει η Δρ Sarah Bosman, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) 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 φέρει τεχνογνωσία σχετικά με το πώς το όργανο μπορεί να χρησιμοποιηθεί καλύτερα για τη μελέτη του πρώιμου σύμπαντος, ιδιαίτερα των πρώτων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.

Οι παρατηρήσεις έγιναν τον Ιανουάριο του 2023, κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου παρατηρήσεων του διαστημικού τηλεσκοπίου 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: η αποσύνθεση του φωτός ενός αντικειμένου που μοιάζει με ουράνιο τόξο σε συστατικά διαφορετικών μηκών κύματος.

Παρακολουθήστε τη σκόνη και το αέριο που κινείται γρήγορα

Το γενικό σχήμα του μεσαίου υπέρυθρου φάσματος («συνέχεια») 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.

Άσχημα νέα για εκείνους των οποίων η προτιμώμενη λύση για τις τεράστιες πρώιμες μαύρες τρύπες βρίσκεται σε εναλλακτικά μοτίβα ταχείας ανάπτυξης: ο τόρος, και επομένως ο μηχανισμός τροφοδοσίας σε αυτό το πρώιμο κβάζαρ, φαίνεται να είναι ο ίδιος με τους πιο πρόσφατους ομολόγους του. Η μόνη διαφορά είναι ότι κανένα μοντέλο δεν προέβλεψε την ταχεία ανάπτυξη των πρώιμων κβάζαρ: μια κάπως υψηλότερη θερμοκρασία σκόνης κατά περίπου εκατό K θερμότερη από τα 1.300 K που βρέθηκαν στην θερμότερη σκόνη των λιγότερο απομακρυσμένων κβάζαρ.

Το μικρότερου μήκους κύματος τμήμα του φάσματος, που κυριαρχείται από εκπομπές από τον ίδιο τον δίσκο προσαύξησης, δείχνει ότι σε εμάς τους μακρινούς παρατηρητές, το φως του κβάζαρ δεν μειώνεται από περισσότερη σκόνη από ό,τι συνήθως. Τα επιχειρήματα ότι μπορεί να υπερεκτιμούμε τις μάζες των πρώιμων μαύρων τρυπών λόγω επιπλέον σκόνης δεν είναι επίσης η απάντηση.

Τα πρώιμα κβάζαρ είναι «σοκαριστικά φυσικά»

Η περιοχή ευρείας γραμμής του κβάζαρ, όπου συστάδες αερίου περιφέρονται γύρω από τη μαύρη τρύπα με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός, που επιτρέπει συμπεράσματα για τη μάζα, την πυκνότητα και τον ιονισμό της περιβάλλουσας ύλης της μαύρης τρύπας, φαίνεται επίσης φυσιολογική. Με όλες σχεδόν τις ιδιότητες που μπορούν να εξαχθούν από το φάσμα, το J1120+0641 δεν διαφέρει από τα κβάζαρ μεταγενέστερων εποχών.

“Συνολικά, οι νέες παρατηρήσεις προσθέτουν στο μυστήριο: Τα πρώτα κβάζαρ ήταν συγκλονιστικά φυσιολογικά. Ανεξάρτητα από τα μήκη κύματος που 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 ήδη αρκετά «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 αστρονομική γλώσσα: είναι «αρχέγονες» ή «ταξινομημένες 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, πιθανώς από την κατάρρευση τεράστιων πρώιμων νεφών αερίου.