Czarne dziury nie tylko istniały u zarania dziejów, ale także rodziły nowe gwiazdy i tworzyły się galaktyki z doładowaniem, jak sugeruje nowa analiza danych z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.
Odkrycia te wywracają do góry nogami teorie dotyczące kształtu kosmosu przez czarne dziury, podważając klasyczne zrozumienie, że powstały one po pojawieniu się pierwszych gwiazd i galaktyk. Zamiast tego czarne dziury mogły dramatycznie przyspieszyć narodziny nowych gwiazd w ciągu pierwszych 50 milionów lat istnienia Wszechświata, czyli ulotnego okresu w jego 13,8 miliarda lat historii.
„Wiemy, że te potworne czarne dziury istnieją w centrach galaktyk w pobliżu naszej Drogi Mlecznej, ale teraz wielką niespodzianką jest to, że były one obecne również na początku Wszechświata i były prawie jak cegiełki lub nasiona wczesnych galaktyk” – powiedział główny autor Joseph Silk, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa oraz w Instytucie Astrofizyki w Paryżu, na Sorbonie. „Naprawdę wzmocnili wszystko, niczym gigantyczne wzmacniacze powstawania gwiazd, co stanowi całkowity zwrot w stosunku do tego, co wcześniej uważaliśmy za możliwe – do tego stopnia, że może całkowicie zachwiać naszą wiedzą na temat powstawania galaktyk”.
Praca została niedawno opublikowana w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.
Odległe galaktyki z bardzo wczesnego Wszechświata, obserwowane przez teleskop Webba, wydają się znacznie jaśniejsze, niż przewidywali naukowcy, i ujawniają niezwykle dużą liczbę młodych gwiazd i supermasywnych czarnych dziur – powiedział Silk.
Konwencjonalna mądrość utrzymuje, że czarne dziury powstały po zapadnięciu się supermasywnych gwiazd, a galaktyki powstały po tym, jak pierwsze gwiazdy rozświetliły ciemny, wczesny Wszechświat. Jednak analiza przeprowadzona przez zespół Silka sugeruje, że czarne dziury i galaktyki współistniały i wpływały na siebie nawzajem w ciągu pierwszych 100 milionów lat. Jeśli cała historia wszechświata byłaby kalendarzem 12-miesięcznym, lata te przypominałyby pierwsze dni stycznia, powiedział Silk.
„Twierdzimy, że czarna dziura wypływa z rozdrobnionych obłoków gazu, zamieniając je w gwiazdy i znacznie przyspieszając tempo powstawania gwiazd” – powiedział Silk. „W przeciwnym razie bardzo trudno byłoby zrozumieć, skąd wzięły się te jasne galaktyki, ponieważ we wczesnym Wszechświecie są zazwyczaj mniejsze. Dlaczego, u licha, miałyby tak szybko tworzyć gwiazdy?”
Czarne dziury to obszary przestrzeni, w których grawitacja jest tak silna, że nic, nawet światło, nie jest w stanie uciec przed ich przyciąganiem. Dzięki tej sile generują potężne pola magnetyczne, które powodują gwałtowne burze, wyrzucając burzliwą plazmę i ostatecznie zachowując się jak ogromne akceleratory cząstek, powiedział Silk. Jego zdaniem proces ten prawdopodobnie jest powodem, dla którego detektory Webba zauważyły więcej czarnych dziur i jasnych galaktyk, niż przewidywali naukowcy.
„Nie jesteśmy w stanie zobaczyć tych gwałtownych wiatrów ani dżetów z bardzo, bardzo daleka, ale wiemy, że muszą tam być, ponieważ widzimy wiele czarnych dziur na początku Wszechświata” – wyjaśnił Silk. „Te ogromne wiatry pochodzące z czarnych dziur miażdżą pobliskie obłoki gazu i zamieniają je w gwiazdy. To brakujące ogniwo wyjaśnia, dlaczego te pierwsze galaktyki są o wiele jaśniejsze, niż się spodziewaliśmy”.
Zespół Silka przewiduje, że młody wszechświat miał dwie fazy. W pierwszej fazie szybkie wypływy z czarnych dziur przyspieszały powstawanie gwiazd, a następnie, w drugiej fazie, wypływy zwalniały. Silk powiedział, że kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu obłoki gazu zapadły się w wyniku burz magnetycznych supermasywnych czarnych dziur, a nowe gwiazdy rodziły się w tempie znacznie przekraczającym tempo obserwowane miliardy lat później w normalnych galaktykach. Tworzenie gwiazd uległo spowolnieniu, ponieważ te potężne wypływy przeszły w stan zachowania energii, stwierdził, redukując ilość gazu dostępnego do tworzenia gwiazd w galaktykach.
„Myśleliśmy, że na początku galaktyki powstały w wyniku zapadnięcia się gigantycznej chmury gazu” – wyjaśnił Silk. „Wielką niespodzianką jest to, że w środku tego obłoku znajdowało się ziarno – wielka czarna dziura – które pomogło szybko przekształcić wewnętrzną część tego obłoku w gwiazdy w tempie znacznie większym, niż kiedykolwiek się spodziewaliśmy. I tak pierwsze galaktyki są niesamowicie jasne.”
Zespół spodziewa się, że przyszłe obserwacje teleskopu Webba, obejmujące dokładniejsze zliczenie gwiazd i supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, pomogą potwierdzić ich obliczenia. Silk spodziewa się, że te obserwacje pomogą naukowcom zebrać więcej wskazówek na temat ewolucji Wszechświata.
„Pytanie brzmi: jakie były nasze początki? Słońce to jedna gwiazda na 100 miliardów w Drodze Mlecznej, a pośrodku znajduje się także masywna czarna dziura. Jaki jest związek między nimi?” powiedział. „W ciągu roku będziemy mieli o wiele lepsze dane i na wiele naszych pytań zaczniemy szukać odpowiedzi”.
Autorami są Colin Norman i Rosemary FG Wyse z Johns Hopkins; Mitchell C. Begelman z Uniwersytetu Kolorado i Narodowego Instytutu Standardów i Technologii; i Adi Nusser z Izraelskiego Instytutu Technologii.
Zespół wspierają Izraelska Fundacja Naukowa i Instytut Badań Kosmicznych Asher, a także Eric i Wendy Schmidt dzięki rekomendacji programu Schmidt Futures.