Niedawne odkrycie dokonane przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) potwierdziło, że jasne, bardzo czerwone obiekty wykryte wcześniej we wczesnym Wszechświecie wywracają do góry nogami konwencjonalne myślenie o pochodzeniu i ewolucji galaktyk oraz ich supermasywnych czarnych dziur.
Międzynarodowy zespół, kierowany przez badaczy z Penn State, wykorzystujący instrument NIRSpec na pokładzie JWST w ramach badania RUBIES, zidentyfikował trzy tajemnicze obiekty we wczesnym wszechświecie, około 600-800 milionów lat po Wielkim Wybuchu, gdy wszechświat miał zaledwie 5% swojego obecnego wieku. Ogłosili odkrycie dzisiaj (27 czerwca) w Astrophysical Journal Letters.
Zespół badał pomiary spektralne, czyli intensywność różnych długości fal światła emitowanego przez obiekty. Ich analiza wykazała sygnatury „starych” gwiazd, mających setki milionów lat, znacznie starszych, niż oczekiwano w młodym wszechświecie.
Naukowcy stwierdzili, że byli również zaskoczeni odkryciem sygnatur ogromnych supermasywnych czarnych dziur w tych samych obiektach, szacując, że są one od 100 do 1000 razy masywniejsze niż supermasywna czarna dziura w naszej Drodze Mlecznej. Żadnego z tych zjawisk nie oczekuje się w obecnych modelach wzrostu galaktyk i powstawania supermasywnych czarnych dziur, które zakładają, że galaktyki i ich czarne dziury będą rosły razem przez miliardy lat kosmicznej historii.
„Potwierdziliśmy, że wydają się być wypełnione starymi gwiazdami — mającymi setki milionów lat — we wszechświecie, który ma zaledwie 600-800 milionów lat. Co niezwykłe, te obiekty są rekordzistami najwcześniejszych sygnatur starego światła gwiazd” — powiedział Bingjie Wang, stypendysta podoktorancki na Penn State i główny autor artykułu. „Znalezienie starych gwiazd w bardzo młodym wszechświecie było całkowicie nieoczekiwane. Standardowe modele kosmologii i formowania się galaktyk odniosły niesamowity sukces, jednak te jasne obiekty nie do końca pasują do tych teorii”.
Naukowcy po raz pierwszy zauważyli te masywne obiekty w lipcu 2022 r., kiedy to udostępniono początkowy zestaw danych z JWST. Kilka miesięcy później zespół opublikował artykuł w Nature, w którym ogłosił istnienie obiektów.
W tamtym czasie badacze podejrzewali, że obiekty te są galaktykami, ale kontynuowali analizę, pobierając widma, aby lepiej zrozumieć prawdziwe odległości obiektów, a także źródła zasilające ich ogromne światło.
Następnie naukowcy wykorzystali nowe dane, aby stworzyć wyraźniejszy obraz tego, jak wyglądały galaktyki i co znajdowało się w ich wnętrzu. Zespół nie tylko potwierdził, że obiekty były rzeczywiście galaktykami na początku czasu, ale także znalazł dowody na zaskakująco duże supermasywne czarne dziury i zaskakująco starą populację gwiazd.
„To bardzo zagmatwane” – powiedział Joel Leja, adiunkt astronomii i astrofizyki w Penn State i współautor obu artykułów. „Można to niewygodnie dopasować do naszego obecnego modelu wszechświata, ale tylko wtedy, gdy na początku czasu wywołamy jakąś egzotyczną, szalenie szybką formację. Jest to bez wątpienia najbardziej osobliwy i interesujący zestaw obiektów, jaki kiedykolwiek widziałem widziałem w mojej karierze.”
JWST jest wyposażony w instrumenty wykrywające podczerwień, zdolne do wykrywania światła emitowanego przez najstarsze gwiazdy i galaktyki. Zasadniczo teleskop pozwala naukowcom cofnąć się w czasie o około 13,5 miliarda lat, w pobliżu początków wszechświata, jaki znamy, powiedziała Leja.
Jednym z wyzwań związanych z analizą starożytnego światła jest to, że rozróżnienie typów obiektów, które mogły emitować światło, może być trudne. W przypadku tych wczesnych obiektów mają one wyraźne cechy zarówno supermasywnych czarnych dziur, jak i starych gwiazd. Jednakże, jak wyjaśnił Wang, nie jest jeszcze jasne, ile obserwowanego światła pochodzi z każdego z nich – co oznacza, że mogą to być wczesne galaktyki, które są nieoczekiwanie stare i masywniejsze nawet niż nasza Droga Mleczna, powstające znacznie wcześniej, niż przewidują modele, lub mogą być bardziej galaktykami o normalnej masie z „nadmiernymi” czarnymi dziurami, około 100 do 1000 razy masywniejszymi niż taka galaktyka miałaby dzisiaj.
„Rozróżnienie światła pochodzącego od materii wpadającej do czarnej dziury od światła emitowanego przez gwiazdy w tych maleńkich, odległych obiektach stanowi wyzwanie” – powiedział Wang. „Ta niemożność odróżnienia obecnego zbioru danych pozostawia szerokie pole do interpretacji tych intrygujących obiektów. Szczerze mówiąc, to ekscytujące, że tak wiele z tej tajemnicy pozostało do rozwikłania”.
Oprócz ich niewytłumaczalnej masy i wieku, jeśli część światła rzeczywiście pochodzi z supermasywnych czarnych dziur, to one również nie są normalnymi supermasywnymi czarnymi dziurami. Wytwarzają znacznie więcej fotonów ultrafioletowych, niż oczekiwano, a podobnym obiektom badanym za pomocą innych instrumentów brakuje charakterystycznych sygnatur supermasywnych czarnych dziur, takich jak gorący pył i jasna emisja promieniowania rentgenowskiego. Ale być może najbardziej zaskakującą rzeczą, twierdzą naukowcy, jest to, jak ogromne wydają się być.
„Normalnie supermasywne czarne dziury są sparowane z galaktykami” – powiedziała Leja. „Dorastają razem i wspólnie przechodzą przez wszystkie najważniejsze doświadczenia życiowe. Ale tutaj mamy w pełni uformowaną dorosłą czarną dziurę żyjącą wewnątrz tego, co powinno być galaktyką niemowlęcą. To nie ma sensu, ponieważ te rzeczy powinny rosnąć razem, albo przynajmniej tak myśleliśmy”.
Badacze byli również zdezorientowani niewiarygodnie małymi rozmiarami tych układów, zaledwie kilkaset lat świetlnych średnicy, około 1000 razy mniejszych niż nasza Droga Mleczna. Gwiazdy są mniej więcej tak liczne jak w naszej galaktyce Drogi Mlecznej — z gdzieś pomiędzy 10 miliardami a 1 bilionem gwiazd — ale zawarte w objętości 1000 razy mniejszej niż Droga Mleczna.
Leja wyjaśniła, że gdyby wziąć Drogę Mleczną i skompresować ją do rozmiarów znalezionych galaktyk, najbliższa gwiazda znajdowałaby się prawie w naszym Układzie Słonecznym. Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej, oddalona o około 26 000 lat świetlnych, znajdowałaby się zaledwie około 26 lat świetlnych od Ziemi i była widoczna na niebie jako gigantyczny słup światła.
„Te wczesne galaktyki byłyby tak gęste od gwiazd – gwiazd, które musiały uformować się w sposób, jakiego nigdy nie widzieliśmy, w warunkach, których nigdy byśmy się nie spodziewali w okresie, w którym nigdy nie spodziewalibyśmy się ich zobaczyć” – mówi Leja. „I z jakiegoś powodu Wszechświat przestał tworzyć takie obiekty już po kilku miliardach lat. Są one unikalne dla wczesnego wszechświata”.
Naukowcy mają nadzieję na dalsze obserwacje, które, jak powiedzieli, mogą pomóc wyjaśnić niektóre tajemnice obiektów. Planują uzyskać głębsze widma, kierując teleskop na obiekty przez dłuższy czas, co pomoże rozplątać emisję z gwiazd i potencjalną supermasywną czarną dziurę, identyfikując specyficzne sygnatury absorpcji, które byłyby obecne w każdym z nich.
„Istnieje inny sposób, w jaki moglibyśmy dokonać przełomu, i to jest właśnie właściwy pomysł” – powiedziała Leja. „Mamy wszystkie te elementy układanki i pasują one tylko wtedy, gdy zignorujemy fakt, że niektóre z nich się łamią. Ten problem jest podatny na błysk geniuszu, który do tej pory umykał nam, wszystkim naszym współpracownikom i całej społeczności naukowej”.
Wang i Leja otrzymali fundusze z programu NASA General Observers. Badania wsparł także Międzynarodowy Instytut Nauk Kosmicznych w Bernie. Praca opiera się częściowo na obserwacjach przeprowadzonych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba NASA/ESA/CSA. Obliczenia na potrzeby badania przeprowadzono na superkomputerze Roar Instytutu Badań Obliczeniowych i Danych Penn State.
Pozostali współautorzy artykułu to: Anna de Graaff z Max-Planck-Institut für Astronomie w Niemczech; Gabriel Brammer z Cosmic Dawn Center i Niels Bohr Institute; Andrea Weibel i Pascal Oesch z Uniwersytetu Genewskiego; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum i Rohan Naidu z Uniwersytetu Yale; Ivo Labbé ze Stanford University; Jorryt Matthee i Jenny Greene z Princeton University; Ian McConachie i Rachel Bezanson z University of Pittsburgh; Josephine Baggen z Texas A&M University; Katherine Suess z Observatoire de Sauverny w Szwajcarii; David Setton z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research przy Massachusetts Institute of Technology; Erica Nelson z University of Colorado; Christina Williams z National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory przy US National Science Foundation i University of Arizona.