Naukowcy odkryli najodleglejszą jak dotąd aktywną supermasywną czarną dziurę za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST). Galaktyka CEERS 1019 istniała około 570 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a jej czarna dziura jest mniej masywna niż jakakolwiek inna dotychczas zidentyfikowana we wczesnym wszechświecie.
Oprócz czarnej dziury w CEERS 1019, naukowcy zidentyfikowali jeszcze dwie czarne dziury, które znajdują się po mniejszej stronie i istniały 1 miliard i 1,1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. JWST zidentyfikował również jedenaście galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał od 470 do 675 milionów lat. Dowody zostały dostarczone przez badanie JWST Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), kierowane przez Stevena Finkelsteina, profesora astronomii na University of Texas w Austin. Program łączy bardzo szczegółowe obrazy JWST w bliskiej i średniej podczerwieni oraz dane znane jako widma, z których wszystkie zostały wykorzystane do dokonania tych odkryć.
„Patrzenie na ten odległy obiekt za pomocą tego teleskopu jest bardzo podobne do patrzenia na dane z czarnych dziur, które istnieją w galaktykach bliskich naszej” – powiedziała Rebecca Larson, niedawna doktorantka. absolwent UT Austin, który kierował badaniem. „Jest tak wiele linii widmowych do analizy!”
Zespół opublikował te wyniki w kilku wstępnych artykułach w specjalnym wydaniu The Astrophysical Journal Letters.
CEERS 1019 wyróżnia się nie tylko tym, jak dawno temu istniał, ale także tym, jak stosunkowo mało waży jego czarna dziura. Ma około 9 milionów mas Słońca, znacznie mniej niż inne czarne dziury, które również istniały we wczesnym wszechświecie i zostały wykryte przez inne teleskopy. Te behemoty zazwyczaj mają masę ponad 1 miliarda mas Słońca – i są łatwiejsze do wykrycia, ponieważ są znacznie jaśniejsze. Czarna dziura w CEERS 1019 bardziej przypomina czarną dziurę w centrum naszej Drogi Mlecznej, która ma masę 4,6 miliona razy większą od Słońca.
Choć mniejsza, ta czarna dziura istniała o wiele wcześniej, więc wciąż trudno jest wyjaśnić, w jaki sposób powstała tak szybko po powstaniu wszechświata. Naukowcy od dawna wiedzieli, że mniejsze czarne dziury musiały istnieć wcześniej we wszechświecie, ale dopiero gdy JWST zaczął obserwować, byli w stanie dokonać ostatecznych odkryć.
Zespół nie tylko był w stanie rozszyfrować, które emisje w widmie pochodzą z czarnej dziury, a które z jej galaktyki macierzystej, mógł także określić, ile gazu pochłania czarna dziura i określić tempo formowania się gwiazd w swojej galaktyce.
Zespół odkrył, że ta galaktyka pochłania tak dużo gazu, jak tylko może, jednocześnie wytwarzając nowe gwiazdy. Zwrócili się do obrazów, aby zbadać, dlaczego tak jest. Wizualnie CEERS 1019 wygląda jak trzy jasne skupiska, a nie pojedynczy okrągły dysk.
„Nie jesteśmy przyzwyczajeni do oglądania tak wielu struktur na obrazach z takich odległości” – powiedział członek zespołu CEERS Jeyhan Kartaltepe, profesor astronomii w Rochester Institute of Technology w Nowym Jorku. „Połączenie galaktyk może być częściowo odpowiedzialne za podsycanie aktywności czarnej dziury w tej galaktyce, a to może również prowadzić do zwiększonego powstawania gwiazd”.
To tylko pierwsze przełomowe wyniki badania CEERS.
“Do tej pory badania obiektów we wczesnym wszechświecie były w dużej mierze teoretyczne” – powiedział Finkelstein. „Dzięki Webbowi nie tylko możemy zobaczyć czarne dziury i galaktyki z ekstremalnych odległości, ale możemy teraz zacząć dokładnie je mierzyć. Na tym polega ogromna moc tego teleskopu”.
Możliwe, że w przyszłości dane JWST mogą być również wykorzystane do wyjaśnienia, w jaki sposób powstały wczesne czarne dziury, rewidując modele naukowców dotyczące wzrostu i ewolucji czarnych dziur w ciągu pierwszych kilkuset milionów lat historii wszechświata.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami, Europejską Agencją Kosmiczną i Kanadyjską Agencją Kosmiczną.
Bardziej ekstremalnie odległe czarne dziury i galaktyki
Badanie CEERS jest rozległe i jest o wiele więcej do odkrycia. Członek zespołu Dale Kocevski z Colby College w Waterville w stanie Maine i zespół szybko zauważyli kolejną parę małych czarnych dziur w danych. Pierwszy, w galaktyce CEERS 2782, był najłatwiejszy do wykrycia. Nie ma żadnego pyłu przesłaniającego widok JWST, więc badacze mogli natychmiast określić, kiedy czarna dziura istniała w historii wszechświata – zaledwie 1,1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Druga czarna dziura, w galaktyce CEERS 746, istniała nieco wcześniej, 1 miliard lat po Wielkim Wybuchu. Jej jasny dysk akrecyjny, pierścień składający się z gazu i pyłu, który otacza supermasywną czarną dziurę, wciąż jest częściowo zasłonięty pyłem.
„Centralna czarna dziura jest widoczna, ale obecność pyłu sugeruje, że może leżeć w galaktyce, która również wściekle wypompowuje gwiazdy” – wyjaśnił Kocevski.
Podobnie jak ta w CEERS 1019, dwie inne nowo opisane czarne dziury (w galaktykach CEERS 2782 i CEERS 746) są również „lekkie” – przynajmniej w porównaniu z wcześniej znanymi supermasywnymi czarnymi dziurami w tych odległościach. Są tylko około 10 milionów razy masywniejsze od Słońca.
„Naukowcy od dawna wiedzieli, że we wczesnym wszechświecie musiały istnieć czarne dziury o mniejszej masie. Webb jest pierwszym obserwatorium, które może uchwycić je tak wyraźnie” – powiedział Kocevski. „Teraz myślimy, że czarne dziury o mniejszej masie mogą być wszędzie, czekając na odkrycie”.
Przed JWST wszystkie trzy czarne dziury były zbyt słabe, aby je wykryć.
„W przypadku innych teleskopów cele te wyglądają jak zwykłe galaktyki gwiazdotwórcze, a nie aktywne supermasywne czarne dziury” – dodał Finkelstein.
Czułe widma JWST pozwoliły również naukowcom zmierzyć dokładne odległości, a tym samym wiek galaktyk we wczesnym wszechświecie. Członkowie zespołu, Pablo Arrabal Haro z NOIRLab National Science Foundation i Seiji Fujimoto, doktor habilitowany i pracownik Hubble’a w UT Austin, zidentyfikowali 11 galaktyk, które istniały od 470 do 675 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Nie tylko są one niezwykle odległe, ale fakt, że wykryto tak wiele jasnych galaktyk, jest godny uwagi. Badacze wysunęli teorię, że JWST wykryje mniej galaktyk niż znajduje się w tych odległościach.
„Jestem przytłoczony ilością bardzo szczegółowych widm odległych galaktyk przesłanych przez Webba” – powiedział Arrabal Haro. „Te dane są absolutnie niewiarygodne”.
Galaktyki te szybko tworzą gwiazdy, ale nie są jeszcze tak wzbogacone chemicznie jak galaktyki, które są znacznie bliżej domu.
„Webb jako pierwszy odkrył niektóre z tych galaktyk” — wyjaśnił Fujimoto. „Ten zestaw, wraz z innymi odległymi galaktykami, które możemy zidentyfikować w przyszłości, może zmienić nasze rozumienie formowania się gwiazd i ewolucji galaktyk w historii kosmosu” – dodał.
Link do specjalnego wydania The Astrophysical Journal Letters: https://iopscience.iop.org/collections/apjl-230504-220_Focus-on-CEERS-JWST-Survey