Gotovo svaka velika galaksija koju su astronomi dosad proučili u svome središtu ima supermasivnu crnu rupu. No nova opažanja ranog svemira pokazuju da su neki od tih tamnih divova možda postali golemi prerano, u galaksijama koje su još bile premale da bi se lako uklopile u postojeće modele njihova rasta.
U središtima galaksija nalaze se objekti koje još ne razumijemo do kraja
Supermasivne crne rupe najveće su crne rupe koje poznajemo. Njihove mase kreću se od nekoliko stotina tisuća do milijuna, pa i milijardi masa Sunca. Ipak, koliko god bile masivne, u galaktičkim razmjerima zauzimaju vrlo malo prostora.
Kako objašnjava Mary Ogborn, doktorandica astrofizike na Penn Stateu, crna rupa nije rupa u običnom smislu riječi, nego područje svemira u kojem je gravitacija toliko snažna da iz njega ne može pobjeći ni svjetlost. Granica iza koje više nema povratka naziva se horizont događaja. Sve što prijeđe tu granicu, barem prema poznatoj fizici, ostaje zauvijek odsječeno od ostatka svemira.
U središtu Mliječne staze nalazi se Sagittarius A* (Strijelac A*), supermasivna crna rupa oko koje se gibaju zvijezde, plin i prašina našeg galaktičkog središta. Kada bi se Sagittarius A* zamislio na mjestu Sunca, njegov horizont događaja i najbliže područje oko njega stali bi unutar Merkurove orbite. Kod mnogo masivnije crne rupe M87*, u središtu galaksije Messier 87, cijeli bi Sunčev sustav mogao stati unutar horizonta događaja.
To pokazuje koliko su ti objekti neobični. Supermasivna crna rupa može imati masu koja snažno utječe na gibanje materije u središtu galaksije, ali ne zauzima galaksiju poput nekog golemog vrtloga. Većina zvijezda, uključujući i Sunce, ne putuje prema središnjoj crnoj rupi, nego se oko galaktičkog središta giba na stabilnim putanjama.
Astronomi ih ne prate samo gledanjem u tamu
Supermasivne crne rupe teško je izravno promatrati. Nalaze se u gustim središtima galaksija, često zaklonjene zvijezdama, plinom i prašinom. Do danas su objavljene samo dvije izravne slike sjena supermasivnih crnih rupa, obje zahvaljujući međunarodnoj suradnji teleskopa Event Horizon.
Zato se većina znanja o njima dobiva posredno. Astronomi promatraju kako se ponaša materija u njihovoj blizini. U galaksijama u kojima je središnja crna rupa mirna, masa se može procijeniti prema brzinama zvijezda u najgušćem dijelu galaktičkog središta. Što se zvijezde ondje brže gibaju, to veća masa mora biti skrivena u središtu.
Kod aktivnih crnih rupa tragovi su drukčiji. One uvlače plin i prašinu iz svoje okoline, ali taj proces nije jednostavno “usisavanje”. Materija se prije pada prema horizontu događaja zagrijava, ubrzava i snažno zrači. Svjetlost toga užarenog plina astronomima otkriva masu crne rupe i količinu materije koja prema njoj dotječe.
Dio materije nikada ne završi u crnoj rupi. Snažno zračenje, tlak i trenje mogu izbaciti plin iz blizine galaktičkog središta. Takvi vjetrovi i izbačaji mogu zagrijati plin u galaksiji, usporiti stvaranje novih zvijezda ili, u nekim okolnostima, stisnuti plin i potaknuti nova područja stvaranja zvijezda.
Webb je otvorio staro pitanje o prvim galaksijama
Najveća zagonetka nije samo u tome što su supermasivne crne rupe goleme. Problem je u tome kada su postale goleme.
Astronomi dobro poznaju jedan put nastanka manjih crnih rupa. Kada vrlo masivna zvijezda potroši gorivo, njezina se jezgra može urušiti pod vlastitom gravitacijom. Takav kraj života zvijezde može ostaviti crnu rupu zvjezdane mase. No taj proces ne može sam po sebi objasniti objekte koji imaju milijune ili milijarde masa Sunca.
Zato se istraživanje okreće njihovim počecima. Jedna pretpostavka kaže da su prva zrna supermasivnih crnih rupa nastala nakon smrti iznimno masivnih zvijezda prve generacije, poznatih kao zvijezde populacije III. Druga mogućnost jest da su nastala izravnim urušavanjem golemih oblaka plina u ranom svemiru.
Ni jedan od tih scenarija zasad nema izravan opažački dokaz. Tu u priču ulazi svemirski teleskop James Webb. Njegova opažanja vrlo udaljenih galaksija pokazuju da su u nekima od njih crne rupe već u ranom svemiru mogle biti iznenađujuće masivne u odnosu na galaksije koje ih okružuju.
Ako se takvi nalazi potvrde, modeli će morati objasniti kako su crne rupe rasle tako brzo. Možda su njihova početna zrna bila masivnija nego što se pretpostavljalo. Možda su u ranom svemiru postojali uvjeti koji su im omogućili iznimno brzo nakupljanje materije. A možda galaksije i njihove središnje crne rupe nisu rasle redoslijedom koji se dugo činio najprirodnijim.
Jesu li prve rasle crne rupe ili galaksije oko njih?
Pitanje se na kraju svodi na jednu od najzanimljivijih nepoznanica moderne astrofizike. Jesu li se najprije pojavile prve masivne crne rupe, oko kojih se zatim postupno okupljala materija iz koje su nastajale galaksije? Ili su se najprije počele oblikovati galaksije, pa su njihova gusta središta kasnije omogućila rast supermasivnih crnih rupa?
Prvi Webbovi rezultati sve više guraju raspravu prema prvoj mogućnosti, iako zaključak još nije konačan. Ako su središnje crne rupe doista nastajale vrlo rano, tada nisu bile samo posljedica galaktičkog razvoja. Mogle su biti jedan od čimbenika koji su od početka oblikovali galaksije.
To ne znači da je crna rupa u središtu galaksije opasnost za sve oko sebe. Sagittarius A* ne prijeti Zemlji, niti će Mliječna staza biti progutana iznutra. U većini slučajeva središnja crna rupa najviše utječe na materiju u svojoj neposrednoj blizini. Ona može oblikovati gibanje zvijezda, plina i prašine u galaktičkom središtu, ali ne usisava galaksiju kao cjelinu.
No u mladom svemiru, kada su galaksije bile bogate plinom i brzo se mijenjale, aktivne crne rupe mogle su imati mnogo veću ulogu. Njihovi izbačaji mogli su prekinuti stvaranje zvijezda u jednim područjima, a potaknuti ga u drugima. Mogle su utjecati na raspored plina, ritam galaktičkog rasta i izgled prvih velikih struktura u svemiru.
Zato supermasivne crne rupe više nisu samo egzotični završeci ekstremne gravitacije. One su tragovi najranije povijesti galaksija. A ako su neki od tih divova doista narasli prije nego što su njihove galaksije bile spremne za njih, priča o nastanku galaksija morat će se ispričati drukčije.