Astronomowie zidentyfikowali szybko rosnącą czarną dziurę we wczesnym Wszechświecie, która jest uważana za kluczowe „brakujące ogniwo” między młodymi galaktykami formującymi gwiazdy a pierwszymi supermasywnymi czarnymi dziurami. Do dokonania tego odkrycia wykorzystali dane z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a NASA.
Do tej pory potwór, nazywany GNz7q, czaił się niezauważony w jednym z najlepiej zbadanych obszarów nocnego nieba, polu Great Observatories Origins Deep Survey-North (GOODS-North).
Archiwalne dane Hubble’a z Hubble’a Advanced Camera for Surveys pomogły zespołowi ustalić, że GNz7q istniał zaledwie 750 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zespół uzyskał dowody na to, że GNz7q jest nowo utworzoną czarną dziurą. Hubble znalazł kompaktowe źródło światła ultrafioletowego (UV) i podczerwonego. Nie mogło to być spowodowane emisją z galaktyk, ale jest zgodne z promieniowaniem oczekiwanym od materiałów, które spadają na czarną dziurę.
Teorie i symulacje komputerowe przewidują szybko rosnące czarne dziury w zapylonych, wczesnych galaktykach gwiazdotwórczych, ale nie zaobserwowano ich do tej pory.
„Nasza analiza sugeruje, że GNz7q jest pierwszym przykładem szybko rosnącej czarnej dziury w zapylonym jądrze galaktyki z wybuchem gwiazd w epoce bliskiej najwcześniejszej supermasywnej czarnej dziurze znanej we wszechświecie” – wyjaśnił Seiji Fujimoto, astronom z Niels Bohr. Instytut Uniwersytetu Kopenhaskiego i główny autor artykułu w Nature opisującego to odkrycie. „Właściwości obiektu w całym spektrum elektromagnetycznym są doskonale zgodne z przewidywaniami z symulacji teoretycznych”.
Jedną z największych tajemnic dzisiejszej astronomii jest: w jaki sposób supermasywne czarne dziury, ważące od milionów do miliardów mas Słońca, stały się tak ogromne tak szybko?
Obecne teorie przewidują, że supermasywne czarne dziury zaczynają swoje życie w osłoniętych pyłem jądrach energicznie formujących się gwiazd galaktyk, zanim wyrzucą otaczający je gaz i pył i wyjdą jako niezwykle jasne kwazary. Chociaż niezwykle rzadkie, zarówno te pyłowe galaktyki wybuchowe, jak i jasne kwazary zostały wykryte we wczesnym Wszechświecie.
Zespół jest przekonany, że GNz7q może być brakującym ogniwem między tymi dwiema klasami obiektów. GNz7q ma dokładnie oba aspekty pyłowej galaktyki z wybuchem gwiazd i kwazara, gdzie światło kwazara ma czerwony kolor pyłu. Ponadto w GNz7q brakuje różnych cech, które zwykle obserwuje się w typowych, bardzo jasnych kwazarach (odpowiadających emisji z dysku akrecyjnego supermasywnej czarnej dziury), co najprawdopodobniej tłumaczy się, że centralna czarna dziura w GN7q nadal znajduje się w młodym i mniej masywna faza. Właściwości te idealnie pasują do młodego kwazara w fazie przejściowej, który był przewidywany w symulacjach, ale nigdy nie został zidentyfikowany we Wszechświecie o podobnie wysokim przesunięciu ku czerwieni, jak bardzo jasne kwazary do tej pory zidentyfikowane z przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 7,6.
„GNz7q zapewnia bezpośrednie połączenie między tymi dwiema rzadkimi populacjami i zapewnia nową drogę do zrozumienia szybkiego wzrostu supermasywnych czarnych dziur we wczesnych dniach Wszechświata” – kontynuował Fujimoto. „Nasze odkrycie stanowi przykład prekursorów supermasywnych czarnych dziur, które obserwujemy w późniejszych epokach”.
Chociaż nie można całkowicie wykluczyć innych interpretacji danych zespołu, obserwowane właściwości GNz7q są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. Galaktyka macierzysta GNz7q tworzy gwiazdy z szybkością 1600 mas Słońca rocznie, a sama GNz7q wydaje się jasna w zakresie długości fal UV, ale bardzo słaba w zakresie fal rentgenowskich.
Ogólnie rzecz biorąc, dysk akrecyjny masywnej czarnej dziury powinien być bardzo jasny zarówno w świetle ultrafioletowym, jak i rentgenowskim. Ale tym razem, chociaż zespół wykrył światło UV za pomocą Hubble’a, światło rentgenowskie było niewidoczne nawet w jednym z najgłębszych zestawów danych rentgenowskich. Wyniki te sugerują, że rdzeń dysku akrecyjnego, z którego pochodzą promienie rentgenowskie, jest nadal przesłonięty; podczas gdy zewnętrzna część dysku akrecyjnego, z której pochodzi światło UV, staje się niewidoczna. Ta interpretacja jest taka, że GNz7q jest szybko rosnącą czarną dziurą, wciąż przesłoniętą przez pyłowe jądro swojej galaktyki macierzystej, w której powstają gwiazdy.
„GNz7q to wyjątkowe odkrycie, które zostało znalezione w samym środku słynnego, dobrze zbadanego pola nieba – pokazuje, że wielkie odkrycia często mogą być ukryte tuż przed tobą” – skomentował Gabriel Brammer, inny astronom z Niels Bohr. Instytut Uniwersytetu w Kopenhadze i członek zespołu odpowiedzialnego za ten wynik. „Jest mało prawdopodobne, aby odkrycie GNz7q na stosunkowo niewielkim obszarze badawczym GOODS-North było tylko ‘głupim szczęściem’, ale raczej, że rozpowszechnienie takich źródeł może w rzeczywistości być znacznie wyższe niż wcześniej sądzono”.
Znalezienie GNz7q ukrywającego się na widoku było możliwe tylko dzięki wyjątkowo szczegółowym zestawom danych o wielu długościach fal, dostępnym dla GOODS-North. Bez tego bogactwa danych łatwo byłoby przeoczyć GNz7q, ponieważ brakuje w nim cech odróżniających zwykle używanych do identyfikacji kwazarów we wczesnym Wszechświecie. Zespół ma teraz nadzieję na systematyczne poszukiwanie podobnych obiektów za pomocą dedykowanych badań o wysokiej rozdzielczości oraz wykorzystanie instrumentów spektroskopowych Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do badania obiektów takich jak GNz7q z niespotykaną dotąd szczegółowością.
„Pełne scharakteryzowanie tych obiektów i znacznie bardziej szczegółowe zbadanie ich ewolucji i leżącej u ich podstaw fizyki będzie możliwe dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba” – podsumował Fujimoto. „Po rozpoczęciu regularnej eksploatacji Webb będzie mógł zdecydowanie określić, jak powszechne są naprawdę te szybko rosnące czarne dziury”.
Kosmiczny Teleskop Hubble’a to projekt międzynarodowej współpracy NASA i ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej). Centrum lotów kosmicznych Goddarda NASA w Greenbelt w stanie Maryland zarządza teleskopem. Space Telescope Science Institute (STScI) w Baltimore w stanie Maryland prowadzi operacje naukowe Hubble’a. STScI jest obsługiwany dla NASA przez Association of Universities for Research in Astronomy w Waszyngtonie