Супермасивне црне рупе у раном универзуму изазивају космолошке теорије

Изненађујуће није изненађујуће: црна рупа је већ тежила више од милијарду соларних маса у раном универзуму упркос свом просечном апетиту.

Када погледамо ране фазе универзума, који су стари 13,8 милијарди година, Свемирски телескоп Џејмс Веб Он је посматрао галаксију каква је постојала пре само 700 милиона година велика експлозија. Загонетно је како Црна рупа Црне рупе у његовом центру би већ биле тешке милијарду соларних маса када је универзум још био у повоју. Запажања Џејмса Веба су била осмишљена да ближе погледају механизам храњења, али он није открио ништа необично. Јасно је да су црне рупе већ расле на сличан начин као што се дешава данас. Али откриће је још важније: показује да астрономи знају мање о томе како настају галаксије него што су мислили. Међутим, мерења никако нису разочаравајућа. Напротив.

Мистерија раних црних рупа

Прва милијарда година историје универзума представља велики изазов: најстарије познате црне рупе у центрима галаксија имале су изненађујуће огромне масе. Како је то тако брзо постало тако велико? Нова запажања која су овде описана пружају снажне доказе против неких од предложених објашњења, посебно против „ултра-ефикасног начина храњења“ првих црних рупа.

Ограничења раста супермасивних црних рупа

Звезде и галаксије су се драматично промениле током протеклих 13,8 милијарди година, старости универзума. Галаксије су постале веће и добиле већу масу, било трошењем гаса који их окружује или (понекад) спајањем једна с другом. Дуго времена, астрономи су претпостављали да ће масивне црне рупе у центрима галаксија постепено расти заједно са самим галаксијама.

Али раст црне рупе не може бити произвољно брз. Материјал који пада на црну рупу формира врео, светао „акрециони диск“. Када се то догоди око супермасивне црне рупе, резултат је активно галактичко језгро. Најсјајнији од ових објеката, познати као квазари, спадају међу најсјајније астрономске објекте у целом универзуму. Али ова светлост ограничава количину материје која може пасти на црну рупу: светлост врши притисак који може спречити пад додатне материје.

Како су црне рупе тако брзо постале тако масивне?

Зато су астрономи били изненађени када су посматрања удаљених квазара у последњих 20 година открила новонастале црне рупе, али њихова маса је достигла десет милијарди соларних маса. Светлости је потребно много времена да путује од удаљеног објекта до нас, па гледање у удаљене објекте значи гледање у далеку прошлост. Видимо најудаљеније познате квазаре како су постојали у ери познатој као „зора универзума“, мање од милијарду година након Великог праска, када су се формирале прве звезде и галаксије.

Објашњење ових раних масивних црних рупа представља велики изазов за тренутне моделе еволуције галаксије. Да ли би ране црне рупе могле бити ефикасније у акумулацији гаса од својих савремених колега? Или би присуство прашине могло утицати на процене масе квазара на начин који је навео истраживаче да прецене масу раних црних рупа? Много је објашњења предложених у овом тренутку, али ниједно није широко прихваћено.

Ближи поглед на рани раст црне рупе

Одређивање тачних објашњења – ако их има – захтева потпунију слику квазара него што је раније била доступна. Са појавом свемирског телескопа Џејмс Веб, а посебно инфрацрвеног инструмента МИРИ, способност астронома да проучавају удаљене квазаре је направила огроман скок. Приликом мерења спектра удаљених квазара, МИРИ је око 4.000 пута осетљивији од било ког претходног инструмента.

Инструменте као што је МИРИ праве међународни конзорцијуми, где научници, инжењери и техничари блиско сарађују. Наравно, конзорцијум је веома заинтересован да тестира да ли њихов алат ради онако како је планирано. У замену за изградњу алата, конзорцијуму се обично даје одређено време за праћење. Године 2019, годинама пре лансирања ЈВСТ-а, европски МИРИ конзорцијум одлучио је да искористи део тог времена за посматрање тада најудаљенијег познатог квазара, објекта названог Ј1120+0641.

Посматрање једне од најстаријих црних рупа

Запажања је анализирала др Сара Босман, постдокторски истраживач на Макс Планк институту за астрономију и члан Европског МИРИ конзорцијума. МПИА-ин допринос инструменту МИРИ укључује изградњу низа кључних унутрашњих делова. Босеман је замољен да се придружи МИРИ сарадњи посебно како би пружио експертизу о томе како најбоље користити инструмент за проучавање раног универзума, посебно првих супермасивних црних рупа.

Посматрања су обављена у јануару 2023. године, током првог циклуса посматрања телескопа Џејмс Веб, и трајала су око два и по сата. Представља прво средње инфрацрвено истраживање квазара током периода космичке зоре, само 770 милиона година након Великог праска (црвени помак з=7). Информација не долази из слике, већ из спектра: разлагање светлости објекта на компоненте различитих таласних дужина, слично дуги.

Пратите прашину и гас који се брзо креће

Општи облик средњег инфрацрвеног („континуираног“) спектра кодира карактеристике великог прстена прашине који окружује акрециони диск у типичним квазарима. Овај прстен помаже усмеравању материје у акрециони диск, „хранећи“ црну рупу. Лоша вест за оне који више воле да реше проблем раних масивних црних рупа леже у алтернативним методама брзог раста: чини се да је прстен, а самим тим и механизам храњења у овом веома раном квазару, исти као и за његове модерније колеге. Једина разлика је нешто што ниједан модел раног брзог раста квазара није предвидео: температура прашине је нешто виша, око сто Келвина топлија од 1.300 Келвина пронађених у топлијој прашини у мање удаљеним квазарима.

Део спектра краће таласне дужине, којим доминирају емисије из самог акреционог диска, показује нам удаљеним посматрачима да светлост квазара није пригушена више прашине него обично. Аргументи да можда прецењујемо рану масу црне рупе због додатне прашине такође нису одговор.

Рани квазари ‘шокантно нормални’

Подручје са обрисима квазара, где накупине гаса круже око црне рупе брзином која се приближава брзини светлости – што омогућава закључке о маси црне рупе и густини и јонизацији околне материје – такође изгледа нормално. По скоро свим карактеристикама које се могу закључити из спектра, Ј1120+0641 се не разликује од квазара каснијих времена.

„Све у свему, нова запажања доприносе мистерији: рани квазари су били шокантно нормални. Без обзира на којим таласним дужинама их посматрамо, квазари су скоро идентични у свим епохама универзума“, каже Босман. Не само саме супермасивне црне рупе, већ и њихови механизми храњења били су потпуно „зрели“ када је универзум био само 5% своје садашње старости. Искључујући бројна алтернативна решења, резултати снажно подржавају идеју да су супермасивне црне рупе почеле са великим масама од почетка, у астрономској терминологији: „примордијалне“ или „масивне“. Супермасивне црне рупе се нису формирале од остатака раних звезда, али су потом врло брзо расле. Мора да су се формирали рано са почетним масама од најмање 100.000 соларних маса, можда колапсом масивних раних облака гаса.

Референца: „Зрели квазар у зору универзума откривен ЈВСТ инфрацрвеном спектроскопијом стационарног оквира“ од Сара Е. И. Босман, Хавиер Алварез Маркуез, Луис Цолина, Фабиан Валтер, Алмудена Алонсо Херреро, Мартин Ј. Вард, Горан Остлин, Тхомас Р. Греиф, Гиллиан Вригхт, Арјан Бецк, Леандерт Богарде, Карина Цапоте, Луца Цонстантин, Андреас Екарт, Макарена Гарциа Марин, Степхен Гелманн, Јенс Хјортх, Едоардо Ианни, Оливиер Илберт, Ирис Герман, Алваро Лабиано, Даниел Лангеруди, Пилердилу Биескер, Рина , Мартин Топинка, Пол ван дер Верф, Мануел Годел, Томас Хенинг, Пјер-Оливије Лагаж, Том Б. Реј, Ивен Ф. Ван Дешок и Барт Ванденбоше, 17. јуна 2024. Природна астрономија.
ДОИ: 10.1038/с41550-024-02273-0