Svemirski teleskop James Webb (JWST) otkrio je galaksiju J1120+0641 u izuzetno ranoj fazi svemira. Svjetlost iz ove galaksije putovala je gotovo onoliko koliko je svemiru trebalo da se razvije do današnjeg dana. Zapanjujuće je kako je crna rupa u njenom središtu mogla imati više od milijardu sunčevih masa u to vrijeme, što su pokazala neovisna mjerenja.
Misteriozni rast crnih rupa
Nedavna promatranja materijala u neposrednoj blizini crne rupe trebala su otkriti učinkovit mehanizam hranjenja, ali nisu otkrila ništa neuobičajeno. Ovaj rezultat dodatno zbunjuje znanstvenike, sugerirajući da možda razumiju manje o razvoju galaksija nego što su ranije mislili. Ipak, rezultati otvaraju nova pitanja i potiču daljnja istraživanja.
Prvih milijardu godina kozmičke povijesti predstavlja veliki izazov za astrofizičare. Najranije poznate crne rupe u središtima galaksija imaju iznenađujuće velike mase. Kako su postale tako masivne, tako brzo? Nova promatranja pružaju snažne dokaze protiv nekih predloženih objašnjenja, posebno protiv teorije o “ultra-učinkovitom načinu hranjenja” najranijih crnih rupa.
Ograničenja rasta supermasivnih crnih rupa
Zvijezde i galaksije prošle su značajne promjene tijekom posljednjih 13,8 milijardi godina, koliko traje svemir. Galaksije su rasle i povećavale masu, bilo apsorpcijom okolnog plina ili spajanjem s drugim galaksijama. Astronomi su dugo pretpostavljali da su supermasivne crne rupe u središtima galaksija rasle postupno zajedno s galaksijama.
Međutim, rast crnih rupa ne može biti neograničeno brz. Materija koja pada na crnu rupu formira vrtložni, vrući, svijetli “akrecijski disk“. Kada se to dogodi oko supermasivne crne rupe, rezultat je aktivna galaktička jezgra. Najsjajniji takvi objekti, poznati kao kvazari, među najsvjetlijim su astronomskim objektima u cijelom svemiru. Ta svjetlost, međutim, ograničava količinu materije koja može pasti na crnu rupu, jer svjetlost stvara pritisak koji može spriječiti dodatnu materiju da padne unutra.
Kako su crne rupe postale tako masivne, tako brzo?
Astronomi su bili iznenađeni kada su, tijekom posljednjih dvadeset godina, promatranja udaljenih kvazara otkrila vrlo mlade crne rupe koje su već dosegle mase od čak 10 milijardi sunčevih masa. Svjetlost putuje kroz vrijeme, pa promatranje udaljenih objekata znači gledanje u daleku prošlost. Najudaljenije poznate kvazare vidimo onakve kakvi su bili u eri poznatoj kao “kozmičko svitanje ili kozmička zora“, manje od milijardu godina nakon Velikog praska, kada su se formirale prve zvijezde i galaksije.
Objašnjavanje tih ranih, masivnih crnih rupa predstavlja značajan izazov za trenutne modele evolucije galaksija. Postoji mogućnost da su rane crne rupe bile puno učinkovitije u akreciji plina nego njihovi moderni ekvivalenti, ili da prisutnost prašine utječe na procjene masa kvazara na način da istraživači precjenjuju mase ranih crnih rupa. Trenutno postoji niz predloženih objašnjenja, ali nijedno nije široko prihvaćeno.
Detaljniji pogled na rast ranih crnih rupa
Da bi se odlučilo koja teorija je točna, potrebna je potpunija slika kvazara nego što je ranije bila dostupna. S dolaskom svemirskog teleskopa JWST na scenu, posebno njegovog srednje infracrvenog instrumenta MIRI, astronomi su dobili značajan napredak u proučavanju udaljenih kvazara. Za mjerenje spektra udaljenih kvazara, MIRI je 4000 puta osjetljiviji od bilo kojeg prethodnog instrumenta.
Instrumenti poput MIRI izgrađeni su od strane međunarodnih konzorcija, s znanstvenicima, inženjerima i tehničarima koji usko surađuju. Konzorcij je prirodno zainteresiran za testiranje performansi svojih instrumenata.
U zamjenu za izgradnju instrumenta, konzorcijima se obično daje određena količina vremena za promatranje. Godine 2019., prije nego što je JWST lansiran, MIRI Europski konzorcij odlučio je iskoristiti dio tog vremena za promatranje tada najudaljenijeg poznatog kvazara, objekta koji nosi oznaku J1120+0641.
Promatranje jedne od najranijih crnih rupa
Analiza promatranja povjerena je dr. Sarah Bosman, postdoktorandici na Institutu Max Planck za astronomiju (MPIA) i članici MIRI Europskog konzorcija. MPIA-ov doprinos instrumentu MIRI uključuje izgradnju niza ključnih unutarnjih dijelova. Bosman je pozvana da se pridruži MIRI suradnji kako bi donijela stručnost o tome kako najbolje koristiti instrument za proučavanje ranog svemira, posebno prvih supermasivnih crnih rupa.
Promatranja su obavljena u siječnju 2023. godine, tijekom prvog ciklusa promatranja JWST-a, i trajala su oko dva i pol sata. Predstavljaju prvu srednje infracrvenu studiju kvazara u razdoblju kozmičkog svitanja, samo 770 milijuna godina nakon Velikog praska (crveni pomak z=7). Informacije potječu iz spektra: duginih boja razlaganja svjetlosti objekta na komponente različitih valnih duljina.
Praćenje prašine i brzog plina
Opći oblik srednje infracrvenog spektra (“kontinuum”) otkriva svojstva velikog torusa prašine koji okružuje akrecijski disk u tipičnim kvazarima. Ovaj torus pomaže usmjeravanju materijala prema akrecijskom disku, “hraneći” crnu rupu.
Loša vijest za one koji su smatrali da je rješenje za masivne rane crne rupe u alternativnim brzim načinima rasta: torus i mehanizam hranjenja u ovom vrlo ranom kvazaru čine se istima kao i kod modernijih ekvivalenata. Jedina razlika je ona koju nijedan model brzog ranog rasta kvazara nije predvidio: nešto viša temperatura prašine, oko stotinu Kelvina viša od 1300 K pronađenih za najtopliju prašinu u manje udaljenim kvazarima.
Kraći valni dio spektra, dominiran emisijama iz samog akrecijskog diska, pokazuje da svjetlost kvazara nije prigušena više nego uobičajenom prašinom. Argumenti da možda precjenjujemo mase ranih crnih rupa zbog dodatne prašine također nisu točni
Rani kvazari ‘šokantno normalni’
Regija širokih linija kvazara, gdje se nakupine plina kreću brzinama blizu brzine svjetlosti—što omogućuje zaključke o masi crne rupe i gustoći i ionizaciji okolne materije—također izgleda normalno. Po gotovo svim svojstvima koja se mogu izvući iz spektra, J1120+0641 nije različit od kvazara u kasnijim razdobljima.
“Općenito, nova promatranja samo dodaju misteriju: Rani kvazari bili su šokantno normalni. Bez obzira na valne duljine u kojima ih promatramo, kvazari su gotovo identični u svim epohama svemira,” kaže Bosman. Ne samo supermasivne crne rupe, već i njihovi mehanizmi hranjenja očito su bili potpuno “zreli” kada je svemir bio tek 5% svoje današnje starosti.
Nova otkrića otvaraju vrata dodatnim istraživanjima o tome kako su rane crne rupe postale tako masivne, tako brzo. Promatranja pomoću JWST-a sugeriraju da su supermasivne crne rupe možda započele svoj život s većim početnim masama nego što se ranije mislilo, što bi moglo značiti da su se formirale iz kolapsa masivnih ranih oblaka plina. Ova otkrića postavljaju nova pitanja i potiču daljnja istraživanja kako bi se bolje razumio razvoj galaksija i crnih rupa u ranoj fazi svemira.
Ovi rezultati objavljeni su u časopisu Nature Astronomy.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
