Wczesny wszechświat był hałaśliwym miejscem, w którym galaktyki często zderzały się ze sobą, a nawet łączyły ze sobą. Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a oraz innych kosmicznych i naziemnych obserwatoriów, astronomowie badający te wydarzenia dokonali nieoczekiwanego i rzadkiego odkrycia: pary związanych grawitacyjnie kwazarów, oba płonące wewnątrz dwóch łączących się galaktyk. Istniały, gdy wszechświat miał zaledwie 3 miliardy lat.
Kwazary to jasne obiekty zasilane żarłocznymi, supermasywnymi czarnymi dziurami, które wyrzucają z siebie potężne fontanny energii, gdy pochłaniają gaz, pył i wszystko inne, co znajduje się w ich zasięgu grawitacyjnym.
„Nie widzimy zbyt wielu podwójnych kwazarów w tak wczesnym okresie we Wszechświecie. I dlatego to odkrycie jest tak ekscytujące” – powiedział doktorant Yu-Ching Chen z University of Illinois w Urbana-Champaign, główny autor tego artykułu badanie.
Znajdowanie bliskich kwazarów podwójnych to stosunkowo nowy obszar badań, który rozwinął się dopiero w ciągu ostatnich 10-15 lat. Dzisiejsze potężne nowe obserwatoria pozwoliły astronomom zidentyfikować przypadki, w których dwa kwazary są aktywne w tym samym czasie i znajdują się na tyle blisko, że ostatecznie się połączą.
Istnieje coraz więcej dowodów na to, że duże galaktyki powstają w wyniku fuzji. Mniejsze systemy łączą się, tworząc większe systemy i coraz większe struktury. Podczas tego procesu w łączących się galaktykach powinny powstać pary supermasywnych czarnych dziur. „Wiedza o populacji prekursorów czarnych dziur ostatecznie powie nam o pojawieniu się supermasywnych czarnych dziur we wczesnym wszechświecie io tym, jak częste mogą być te fuzje” – powiedział Chen.
„Zaczynamy odkrywać ten wierzchołek góry lodowej populacji wczesnych podwójnych kwazarów” – powiedział Xin Liu z University of Illinois w Urbana-Champaign. „Na tym polega wyjątkowość tego badania. W rzeczywistości mówi nam ono, że ta populacja istnieje, a teraz mamy metodę identyfikacji podwójnych kwazarów, które dzieli mniej niż rozmiar pojedynczej galaktyki”.
Było to poszukiwanie igły w stogu siana, które wymagało połączonej mocy Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i obserwatoriów WM Keck na Hawajach. Obserwacje na różnych długościach fal z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini na Hawajach, należącego do NSF teleskopu Karl G. Jansky Very Large Array w Nowym Meksyku oraz obserwatorium rentgenowskiego Chandra również przyczyniły się do zrozumienia dynamicznego duetu. Obserwatorium kosmiczne Gaia ESA (Europejska Agencja Kosmiczna) pomogło przede wszystkim zidentyfikować ten podwójny kwazar.
„Czułość i rozdzielczość Hubble’a dostarczyła zdjęć, które pozwalają nam wykluczyć inne możliwości tego, co widzimy” – powiedział Chen. Hubble jednoznacznie pokazuje, że rzeczywiście jest to prawdziwa para supermasywnych czarnych dziur, a nie dwa obrazy tego samego kwazara utworzone przez soczewkę grawitacyjną na pierwszym planie. A Hubble pokazuje cechę pływów z połączenia dwóch galaktyk, gdzie grawitacja zniekształca kształt galaktyk, tworząc dwa ogony gwiazd.
Jednak sama ostra rozdzielczość Hubble’a nie jest wystarczająco dobra, aby szukać tych podwójnych latarni. Naukowcy zwerbowali sondę Gaia, która została wystrzelona w 2013 roku, aby wskazać potencjalnych kandydatów na podwójne kwazary. Gaia bardzo dokładnie mierzy pozycje, odległości i ruchy pobliskich ciał niebieskich. Ale w nowatorskiej technice można go wykorzystać do eksploracji odległego wszechświata. Ogromna baza danych Gaia może być wykorzystana do wyszukiwania kwazarów, które naśladują pozorny ruch pobliskich gwiazd. Kwazary pojawiają się jako pojedyncze obiekty w danych z Gai, ponieważ są tak blisko siebie. Jednak Gaia może wykryć subtelne, nieoczekiwane „drganie”, które naśladuje pozorną zmianę pozycji niektórych obserwowanych kwazarów.
W rzeczywistości kwazary nie poruszają się w przestrzeni w żaden mierzalny sposób. Zamiast tego ich drgania mogą być dowodem przypadkowych fluktuacji światła, ponieważ każdy członek pary kwazarów zmienia jasność w skali czasowej od dni do miesięcy, w zależności od harmonogramu karmienia czarnej dziury. Ta naprzemienna jasność między parami kwazarów jest podobna do obserwowania sygnału przejazdu kolejowego z dużej odległości. Ponieważ światła po obu stronach stacjonarnego sygnału migają naprzemiennie, znak daje złudzenie „drgania”.
Kolejnym wyzwaniem jest to, że ponieważ grawitacja zakrzywia przestrzeń jak lustro wesołego miasteczka, galaktyka na pierwszym planie może podzielić obraz odległego kwazara na dwie części, tworząc iluzję, że to naprawdę para binarna. Teleskop Kecka został użyty, aby upewnić się, że między nami a podejrzanym podwójnym kwazarem nie ma soczewkującej galaktyki.
Ponieważ Hubble zagląda w odległą przeszłość, ten podwójny kwazar już nie istnieje. W ciągu minionych 10 miliardów lat ich galaktyki macierzyste prawdopodobnie osiedliły się w gigantyczną galaktykę eliptyczną, taką jak te obserwowane we współczesnym wszechświecie lokalnym. I kwazary połączyły się, tworząc gigantyczną, supermasywną czarną dziurę w jej centrum. Pobliska gigantyczna galaktyka eliptyczna M87 ma monstrualną czarną dziurę o masie 6,5 miliarda mas naszego Słońca. Być może ta czarna dziura wyrosła z jednego lub więcej połączeń galaktyk w ciągu ostatnich miliardów lat.
Nadchodzący rzymski teleskop kosmiczny NASA Nancy Grace, mający taką samą ostrość widzenia jak Hubble, jest idealny do polowania na podwójne kwazary. Hubble był używany do skrupulatnego zbierania danych dla poszczególnych celów. Ale bardzo szerokokątny obraz wszechświata w podczerwieni wykonany przez Romana jest 200 razy większy niż obraz z Hubble’a. „Wiele kwazarów może być układami podwójnymi. Teleskop rzymski może dokonać ogromnych ulepszeń w tej dziedzinie badań” – powiedział Liu.