Patrząc głęboko w przestrzeń i czas, dwa zespoły korzystające z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba badały wyjątkowo jasną galaktykę GN-z11, która istniała, gdy nasz Wszechświat liczący 13,8 miliarda lat miał zaledwie około 430 milionów lat.
Galaktyka ta – jedna z najmłodszych i najodleglejszych, jakie kiedykolwiek zaobserwowano – została odkryta początkowo za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i jest tak jasna, że naukowcom trudno jest zrozumieć, dlaczego tak się dzieje. Teraz GN-z11 zdradza część swoich tajemnic.
Silna czarna dziura jest najbardziej odległą, jaką kiedykolwiek znaleziono
Zespół badający GN-z11 wraz z Webbem znalazł pierwszy wyraźny dowód na to, że w galaktyce znajduje się centralna, supermasywna czarna dziura, która szybko akreuje materię. Ich odkrycie czyni ją najdalszą aktywną supermasywną czarną dziurą odkrytą do tej pory.
„Odkryliśmy niezwykle gęsty gaz, który jest powszechny w pobliżu supermasywnych czarnych dziur akreujących gaz” – wyjaśnia główny badacz Roberto Maiolino z Cavendish Laboratory i Instytutu Kosmologii Kavli na Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii. „To były pierwsze wyraźne oznaki wskazujące, że GN-z11 zawiera czarną dziurę pożerającą materię”.
Korzystając z Webba, zespół odkrył także oznaki zjonizowanych pierwiastków chemicznych zwykle obserwowanych w pobliżu akreujących supermasywnych czarnych dziur. Dodatkowo odkryli bardzo silny wiatr wypędzany przez galaktykę. Takie wiatry o dużej prędkości są zwykle napędzane procesami związanymi z energicznie akreującymi supermasywnymi czarnymi dziurami.
„Kamera NIRCam (kamera bliskiej podczerwieni) Webba ujawniła rozszerzony komponent śledzący galaktykę macierzystą oraz centralne, zwarte źródło, którego kolory odpowiadają kolorom dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę” – powiedziała badaczka Hannah Übler, również z Laboratorium Cavendisha i Instytut Kavli.
Łącznie dowody te pokazują, że w GN-z11 znajduje się supermasywna czarna dziura o masie 2 milionów mas Słońca, znajdująca się w bardzo aktywnej fazie pochłaniania materii i dlatego jest tak jasna.
Nieskazitelna bryła gazu w Halo GN-z11 intryguje badaczy
Drugi zespół, również kierowany przez Maiolino, wykorzystał spektrograf NIRSpec (spektrograf bliskiej podczerwieni) Webba do znalezienia gazowej bryły helu w halo otaczającym GN-z11.
„Fakt, że nie widzimy niczego poza helem, sugeruje, że ta grudka musi być w miarę nieskazitelna” – powiedział Maiolino. „Jest to coś, czego teoria i symulacje oczekiwały w pobliżu szczególnie masywnych galaktyk z tych epok – że w halo powinny znajdować się kieszenie nieskazitelnego gazu, które mogą się zapaść i utworzyć gromady gwiazd III populacji.”
Odnalezienie nigdy wcześniej nie widzianych gwiazd III populacji – pierwszej generacji gwiazd utworzonych niemal wyłącznie z wodoru i helu – jest jednym z najważniejszych celów współczesnej astrofizyki. Oczekuje się, że gwiazdy te będą bardzo masywne, bardzo jasne i bardzo gorące. Ich oczekiwaną cechą charakterystyczną jest obecność zjonizowanego helu i brak pierwiastków chemicznych cięższych od helu.
Powstawanie pierwszych gwiazd i galaktyk oznacza fundamentalną zmianę w historii kosmosu, podczas której Wszechświat ewoluował z ciemnego i stosunkowo prostego stanu do wysoce zorganizowanego i złożonego środowiska, które widzimy dzisiaj.
W przyszłych obserwacjach Webba Maiolino, Übler i ich zespół będą głębiej badać GN-z11 i mają nadzieję wzmocnić dowody na istnienie gwiazd III Populacji, które mogą tworzyć się w jej halo.
Badania nad dziewiczą grudką gazu w halo GN-z11 zostały zaakceptowane do publikacji przez wydawnictwo Astronomy & Astrophysics. Wyniki badań czarnej dziury GN-z11 opublikowano w czasopiśmie Nature 17 stycznia 2024 roku. Dane uzyskano w ramach JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), wspólnego projektu zespołów NIRCam i NIRSpec.