Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dokonał jednego z najbardziej nieoczekiwanych odkryć w ciągu pierwszego roku swojej służby: duża liczba słabych, małych czerwonych kropek w odległym Wszechświecie może zmienić sposób, w jaki rozumiemy genezę supermasywnych czarnych dziur. Wyniki badań prowadzonych pod kierunkiem Jorryta Matthee, adiunkta astrofizyki w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (ISTA) zostały teraz opublikowane w The Astrophysical Journal.
Kilka małych czerwonych kropek znalezionych w maleńkim obszarze naszego nocnego nieba może być nieoczekiwanym przełomem dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) w ciągu pierwszego roku jego służby. Obiekty te były nie do odróżnienia od normalnych galaktyk widziane „oczami” starszego Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. „Mimo że JWST nie został opracowany do tego konkretnego celu, pomógł nam ustalić, że słabe, czerwone kropki odkryte bardzo daleko w odległej przeszłości Wszechświata to małe wersje niezwykle masywnych czarnych dziur. Te specjalne obiekty mogą zmienić sposób, w jaki myślimy o geneza czarnych dziur” – mówi Jorryt Matthee, adiunkt w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (ISTA) i główny autor badania. „Obecne odkrycia mogą przybliżyć nas o krok do odpowiedzi na jeden z największych dylematów w astronomii: według obecnych modeli niektóre supermasywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie po prostu rosły „za szybko”. W takim razie jak powstały?”
Kosmiczne punkty, z których nie ma powrotu
Naukowcy od dawna uważali czarne dziury za matematyczną ciekawostkę, dopóki ich istnienie nie stało się coraz bardziej oczywiste. Te dziwne kosmiczne bezdenne otchłanie mogą mieć tak zwarte masy i silną grawitację, że nic nie jest w stanie uciec przed ich siłą przyciągania – zasysają wszystko, łącznie z kosmicznym pyłem, planetami i gwiazdami, i deformują otaczającą je przestrzeń i czas w taki sposób, że nawet światło nie może uciec . Ogólna teoria względności, opublikowana ponad sto lat temu przez Alberta Einsteina, przewidywała, że czarne dziury mogą mieć dowolną masę. Do najbardziej intrygujących czarnych dziur należą supermasywne czarne dziury (SMBH), które mogą osiągać masy od milionów do miliardów mas Słońca. Astrofizycy zgadzają się, że w centrum prawie każdej dużej galaktyki znajduje się SMBH. Dowód na to, że Sagittarius A* to SMBH w centrum naszej Galaktyki o masie ponad cztery miliony razy większej od masy Słońca, zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki 2020.
Zbyt masywny, żeby tam być
Jednak nie wszystkie SMBH są takie same. Chociaż Sagittarius A* można porównać do uśpionego wulkanu, niektóre SMBH rosną niezwykle szybko, pochłaniając astronomiczne ilości materii. W ten sposób stają się tak jasne, że można je obserwować aż do krawędzi stale rozszerzającego się Wszechświata. Te SMBH nazywane są kwazarami i należą do najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie. „Jednym z problemów związanych z kwazarami jest to, że niektóre z nich wydają się zbyt masywne, zbyt masywne, biorąc pod uwagę wiek Wszechświata, w którym obserwuje się kwazary. Nazywamy je „problematycznymi kwazarami”” – mówi Matthee. „Jeśli weźmiemy pod uwagę, że kwazary powstają w wyniku eksplozji masywnych gwiazd i że znamy ich maksymalne tempo wzrostu z ogólnych praw fizyki, niektóre z nich wyglądają, jakby rosły szybciej, niż jest to możliwe. To tak, jakby patrzeć na pięcioletni okres -stare dziecko, które ma dwa metry wzrostu. Coś mi się nie zgadza – wyjaśnia. Czy małe i średnie przedsiębiorstwa mogłyby rozwijać się jeszcze szybciej, niż początkowo sądziliśmy? A może kształtują się inaczej?
Małe wersje gigantycznych kosmicznych potworów
Teraz Matthee i jego współpracownicy identyfikują populację obiektów, które na obrazach JWST wyglądają jak małe czerwone kropki. Pokazują także, że obiekty te są SMBH, ale nie przesadnie masywnymi. Kluczowe znaczenie dla ustalenia, czy te obiekty są SMBH, miało wykrycie widmowych linii emisyjnych Hα o szerokich profilach linii. Linie Hα to linie widmowe w głęboko czerwonym obszarze światła widzialnego, które są emitowane podczas ogrzewania atomów wodoru. Szerokość widm odzwierciedla ruch gazu. „Im szersza podstawa linii Hα, tym większa prędkość gazu. Widma te mówią nam zatem, że patrzymy na bardzo mały obłok gazu, który porusza się niezwykle szybko i krąży wokół czegoś bardzo masywnego, takiego jak SMBH” – mówi Matthee. Jednakże małe czerwone kropki nie są gigantycznymi kosmicznymi potworami spotykanymi w zbyt masywnych SMBH. „Podczas gdy «problematyczne kwazary» są niebieskie, niezwykle jasne i osiągają masę miliardów mas Słońca, małe czerwone kropki bardziej przypominają «dziecięce kwazary». Ich masy wahają się od dziesięciu do stu milionów mas Słońca. Ponadto wydają się czerwone, ponieważ są zapylone. Pył przesłania czarne dziury i powoduje zaczerwienienie kolorów” – mówi Matthee. Ostatecznie jednak wypływ gazu z czarnych dziur przebije kokon pyłowy i z tych małych czerwonych kropek wyewoluują olbrzymy. Zatem astrofizyk z ISTA i jego zespół sugerują, że małe czerwone kropki to małe, czerwone wersje gigantycznych niebieskich SMBH w fazie poprzedzającej problematyczne kwazary. „Bardziej szczegółowe badanie małych wersji zbyt masywnych SMBH pozwoli nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają problematyczne kwazary”.
„Przełomowa” technologia
Matthee i jego zespołowi udało się znaleźć młode kwazary dzięki zbiorom danych uzyskanym w ramach współpracy EIGER (galaktyki linii emisji i gaz międzygalaktyczny w epoce reionizacji) i FRESCO (obserwacje spektroskopowo kompletne pierwszej epoki reionizacji). Są to duży i średni program JWST, w który zaangażował się Matthee. W grudniu ubiegłego roku magazyn Physics World umieścił EIGER wśród 10 najważniejszych przełomów roku 2023. „EIGER został zaprojektowany w celu badania rzadkich niebieskich supermasywnych kwazarów i ich otoczenia. Nie miał na celu znajdowania małych czerwonych kropek. Ale odkryliśmy je przypadkowo w tym samym zbiorze danych. Dzieje się tak dlatego, że wykorzystując kamerę bliskiej podczerwieni JWST, EIGER rejestruje widma emisyjne wszystkich obiektów we Wszechświecie” – mówi Matthee. „Jeśli podniesiesz palec wskazujący i całkowicie wyprostujesz ramię, zbadany przez nas obszar nocnego nieba odpowiada mniej więcej jednej dwudziestej powierzchni Twojego paznokcia. Jak dotąd prawdopodobnie tylko zarysowaliśmy powierzchnię”.
Matthee jest przekonany, że niniejsze badanie otworzy wiele możliwości i pomoże odpowiedzieć na niektóre z najważniejszych pytań dotyczących Wszechświata. „Czarne dziury i SMBH to prawdopodobnie najciekawsze obiekty we Wszechświecie. Trudno wyjaśnić, dlaczego tam są, ale są. Mamy nadzieję, że ta praca pomoże nam podnieść jedną z największych zasłon tajemnicy Wszechświata” – podsumowuje.