Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, οι αστρονόμοι έχουν γυρίσει 13 δισεκατομμύρια χρόνια πίσω για να ανακαλύψουν εκπληκτικά τεράστιους κβάζαρ που τροφοδοτούνται από μαύρες τρύπες.
Οι παρατηρήσεις του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb (JWST) προκαλούν σύγχυση, επειδή οι μεμονωμένες μαύρες τρύπες πρέπει να δυσκολεύονται να συσσωρεύσουν αρκετή μάζα για να φτάσουν σε μια υπερμεγέθη κατάσταση, ειδικά μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτή η ανακάλυψη περιπλέκει περαιτέρω τα πράγματα όταν πρόκειται για το μυστήριο του πώς μερικές μαύρες τρύπες μεγάλωσαν σε μάζες ισοδύναμες με εκατομμύρια ή ακόμα και δισεκατομμύρια ήλιους όταν το σύμπαν ήταν λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο ετών.
Αυτά τα ευρήματα προέκυψαν αφού μια ομάδα επιστημόνων χρησιμοποίησε το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb για να μελετήσει το περιβάλλον πέντε από τα παλαιότερα γνωστά κβάζαρ, τα οποία σχηματίστηκαν όταν το σύμπαν ήταν μεταξύ 600 και 700 εκατομμυρίων ετών. Η ομάδα διαπίστωσε ότι οι περιοχές γύρω από αυτά τα κβάζαρ, γνωστά ως «πεδία κβάζαρ», ήταν εκπληκτικά διαφορετικές. Ορισμένα ήταν πυκνοκατοικημένα περιβάλλοντα που είχαν προβλέψει οι επιστήμονες, αλλά άλλα ήταν αραιοκατοικημένα «άδεια ενδιαιτήματα» που μπορεί να δυσκολεύονται να τροφοδοτήσουν την ανάπτυξη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών.
“Σε αντίθεση με την προηγούμενη πεποίθηση, διαπιστώνουμε ότι, κατά μέσο όρο, αυτά τα κβάζαρ δεν βρίσκονται απαραίτητα σε εκείνες τις περιοχές της υψηλότερης πυκνότητας στο πρώιμο σύμπαν. Μερικά από αυτά φαίνεται να κάθονται στη μέση του πουθενά”, δήλωσε η Anna-Christina Ehlers, βοηθός καθηγητής αστρονομίας. Φυσική στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, σε μια δήλωση. «Είναι δύσκολο να εξηγήσουμε πώς αυτά τα κβάζαρ μπορούν να γίνουν τόσο μεγάλα αν φαίνεται ότι δεν έχουν τίποτα να τραφούν».
Σχετίζεται με: Οι μεγαλύτεροι πίδακες μαύρης τρύπας που έχουν δει ποτέ έχουν μήκος όσο 140 Milky Ways
Τα κβάζαρ χρειάζονται ολόκληρους αποθηκευτικούς χώρους
Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες πιστεύεται ότι κρύβονται στις καρδιές όλων των μεγάλων γαλαξιών στο σχετικά νέο σύμπαν. Επειδή κανένα αστέρι δεν είναι αρκετά μεγάλο για να καταρρεύσει, και επειδή οι μαύρες τρύπες έχουν τόσο τεράστιες μάζες, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες πρέπει να σχηματίζονται με διαφορετικούς τρόπους από τις λεγόμενες «μαύρες τρύπες αστρικής μάζας» που έχουν μάζα μεταξύ 10 και 100 φορές την μάζα του Ήλιου όταν γεννήθηκε. Από το θάνατο μεγάλων αστεριών.
Τα μοντέλα προτείνουν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορεί να αναπτυχθούν μέσω σταδιακής συγχώνευσης ολοένα και μεγαλύτερων μαύρων τρυπών, αλλά το πρόβλημα είναι ότι αυτή η διαδικασία Θα έπρεπε Χρειάζονται περισσότερα από 1 δισεκατομμύριο χρόνια. Ωστόσο, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb βλέπει υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν σε πολύ λιγότερο χρόνο.
Αυτές οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες είναι δυνατό να φανούν επειδή βρίσκονται σε ταραχώδη, πλούσια σε αέρια περιβάλλοντα που ονομάζονται ενεργοί γαλαξιακές πυρήνες (AGN) από τους οποίους τρέφονται. Αυτό διευκολύνει επίσης την ανάπτυξή τους. Η τεράστια μάζα των μαύρων οπών σε αυτά τα περιβάλλοντα κάνει τα επίπεδα σύννεφα αερίου και σκόνης γύρω τους να λάμπουν έντονα, συχνά υπερκαλύπτοντας το συνδυασμένο φως κάθε άστρου στον γαλαξία που στεγάζουν. Αυτό το φως, τρισεκατομμύρια φορές πιο φωτεινό από τον Ήλιο, δείχνει την παρουσία ενός κβάζαρ.
Ωστόσο, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες χρειάζονται μια «υπηρεσία παράδοσης» για να διατηρήσουν το άμεσο περιβάλλον τους γεμάτο με αέριο και σκόνη για να επιτύχουν αυτή την εκπληκτική φωτεινότητα.
«Είναι εκπληκτικό το ότι έχουμε τώρα ένα τηλεσκόπιο που μπορεί να συλλάβει φως από 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν με τόση λεπτομέρεια», είπε ο Ehlers. «Για πρώτη φορά, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μας έδωσε τη δυνατότητα να εξετάσουμε το περιβάλλον αυτών των κβάζαρ, όπου μεγάλωσαν και πώς έμοιαζε η γειτονιά τους».
Για να εξερευνήσει το ευρύτερο περιβάλλον των κβάζαρ, η ομάδα επέλεξε πέντε υπερμεγέθεις περιοχές που τροφοδοτούνται από μαύρες τρύπες, τις οποίες μελέτησε το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μεταξύ Αυγούστου 2022 και Ιουνίου 2023. Αυτό απαιτούσε τη «συγχώνευση» πολλών εικόνων μαζί για τη δημιουργία ενός μωσαϊκού πεδίου κβάζαρ για κάθε μαύρο τρύπα γειτονιά Η τεράστια.
Με την επεξεργασία πολλαπλών μηκών κύματος φωτός στις εικόνες, ήταν επίσης δυνατό να προσδιοριστεί εάν το φως προερχόταν από έναν γαλαξία γειτονικό με το κβάζαρ και να μετρηθεί πόσο μακριά αυτός ο γαλαξίας προήλθε από το φωτεινό κεντρικό κβάζαρ.
«Βρήκαμε ότι η μόνη διαφορά μεταξύ αυτών των πέντε κβάζαρ είναι ότι το περιβάλλον τους φαίνεται πολύ διαφορετικό», είπε ο Έλερς. «Για παράδειγμα, ένα κβάζαρ έχει περίπου 50 γαλαξίες γύρω του, ενώ ο άλλος έχει μόνο δύο κβάζαρ είναι στο ίδιο μέγεθος, όγκο, φωτεινότητα και χρόνο με το σύμπαν.
Οι πρώιμες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες παρουσίασαν «εκρήξεις ανάπτυξης»;
Τα ευρήματα της ομάδας αμφισβητούν την ιδέα της υπερμεγέθους ανάπτυξης μαύρης τρύπας, ακόμη και του σχηματισμού γαλαξιών στο σύνολό τους. Η τρέχουσα κατανόηση είναι ότι αυτή η εξέλιξη κατευθύνθηκε από έναν τεράστιο «κοσμικό ιστό» σκοτεινής ύλης. Η σκοτεινή ύλη αντιπροσωπεύει περίπου το 85% όλης της ύλης αλλά παραμένει αόρατη σε εμάς.
Νήματα σκοτεινής ύλης στον κοσμικό ιστό διοχέτευαν αέριο και σκόνη στο πρώιμο σύμπαν, τραβώντας την αρχέγονη ύλη μέσα από τις απέραντες έλικες της. Όπου συναντώνται τα νήματα αυτού του κοσμικού ιστού, συσσωρεύονται πολύ πυκνές περιοχές ύλης. Εδώ χτίστηκαν πρώιμοι γαλαξίες και θα πρέπει να βρεθούν τα πρώτα κβάζαρ.
«Ο κοσμικός ιστός της σκοτεινής ύλης είναι μια ισχυρή πρόβλεψη του κοσμολογικού μας μοντέλου του σύμπαντος και μπορεί να περιγραφεί λεπτομερώς χρησιμοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις», δήλωσε στη δήλωση ο επικεφαλής της ομάδας Ilia Pizzati, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Πανεπιστήμιο του Leiden. «Συγκρίνοντας τις παρατηρήσεις μας με αυτές τις προσομοιώσεις, μπορούμε να προσδιορίσουμε πού βρίσκονται τα κβάζαρ στον κοσμικό ιστό».
Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε αυτούς τους κόμβους στον κοσμικό ιστό πρέπει να αναπτυχθούν μέσω της σταθερής και ταχείας συσσώρευσης αερίου και σκόνης που παρέχεται από τον κοσμικό ιστό όπως το γαλαξιακό Grub Hub – αυτό θα επέτρεπε στα κβάζαρ να επιτύχουν τεράστιες μάζες και εξαιρετική φωτεινότητα – αλλά οι επιστήμονες και εμείς πρέπει να μάθουμε πώς συνέβη αυτό είναι πολύ νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος.
“Το κύριο ερώτημα που προσπαθούμε να απαντήσουμε είναι πώς σχηματίζονται αυτές οι μαύρες τρύπες δισεκατομμυρίων ηλιακής μάζας σε μια εποχή που το σύμπαν είναι ακόμα πολύ νέο; Είναι ακόμα στα σπάργανά του”, είπε ο Ehlers.
Δυστυχώς, αυτή η έρευνα φαίνεται να έχει εγείρει περισσότερα ερωτήματα από όσα έχει απαντήσει που ήδη προβληματίζουν τους επιστήμονες. Οι άγονες γειτονιές φαίνεται να υποδηλώνουν την απουσία σκοτεινής ύλης και την υπερβολική πυκνότητα των κόμβων του κοσμικού ιστού. Αν ναι, οι τρέχουσες θεωρίες του μηχανισμού ανάπτυξης δεν μπορούν να εξηγήσουν αυτά τα κβάζαρ.
Μια πιθανή λύση σε αυτό το μυστήριο είναι ότι αυτά τα πρώιμα κβάζαρ ήταν στην πραγματικότητα περιβάλλοντα από κοσμική σκόνη, και επομένως αόρατα. Η ομάδα σκοπεύει τώρα να “βελτιστοποιήσει” τις παρατηρήσεις της σε δυνητικά άδεια πεδία κβάζαρ για να ανιχνεύσει τέτοιους απόκρυφους γαλαξίες.
«Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι εξακολουθεί να λείπει ένα μεγάλο κομμάτι του παζλ για το πώς μεγαλώνουν αυτές οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες», κατέληξε ο Ehlers. «Αν δεν υπάρχει αρκετό υλικό γύρω από ορισμένα κβάζαρ για να μπορέσουμε να αναπτυχθούν συνεχώς, αυτό σημαίνει ότι πρέπει να υπάρχει ένας άλλος τρόπος να αναπτυχθούν που δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη».
Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύτηκε στις 17 Οκτωβρίου Astrophysical Journal.
Αρχικά δημοσιεύτηκε στις Ιστοσελίδα Space.com.
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”