Jak czarne dziury przeszły od tworzenia gwiazd do ich gaszenia
Dzięki JWST astronomowie zidentyfikowali jedne z najwcześniejszych galaktyk powstałych we Wszechświecie.
Przejście tempa formowania się gwiazd i wzrostu czarnych dziur wraz ze spadkiem przesunięcia ku czerwieni od reżimów, w których dominuje dodatnie sprzężenie zwrotne, do późniejszej epoki, w której sprzężenie zwrotne jest w dużej mierze ujemne. Źródło: Steven Burrows, Rosemary Wyse, and Mitch Begelman.
Astronomowie od dawna starają się zrozumieć wczesny Wszechświat, a dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba (JWST) pojawił się kluczowy element układanki. Wykrywające podczerwień „oczy” teleskopu dostrzegły szereg małych, czerwonych punktów, zidentyfikowanych jako jedne z najwcześniejszych galaktyk powstałych we Wszechświecie.
To zaskakujące odkrycie jest nie tylko wizualnym cudem, ale także wskazówką, która może odkryć tajemnice tego, jak galaktyki i ich enigmatyczne czarne dziury rozpoczęły swoją kosmiczną podróż.
Zdumiewającym odkryciem JWST jest to, że Wszechświat nie tylko ma te bardzo zwarte i jasne obiekty w podczerwieni, ale prawdopodobnie są to regiony, w których już istnieją ogromne czarne dziury – wyjaśnił stypendysta JILA i profesor astrofizyki na University of Colorado Boulder, Mitch Begelman. Uważano, że to niemożliwe.
Begelman i zespół astronomów, w tym Joe Silk, profesor astronomii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, opublikowali swoje odkrycia w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters, sugerując, że potrzebne są nowe teorie powstawania galaktyk, aby wyjaśnić istnienie tych olbrzymich czarnych dziur.
Potrzeba czegoś nowego, aby pogodzić teorię powstawania galaktyk z nowymi danymi – powiedział Silk, główny autor potencjalnie przełomowego badania.
Tradycyjna opowieść o formowaniu się galaktyk
Zastanawiając się nad tym, w jaki sposób formują się galaktyki, astronomowie zakładali wcześniej nieco uporządkowaną ewolucję. Konwencjonalne teorie zakładały, że galaktyki tworzą się stopniowo, gromadząc się przez miliardy lat. Uważano, że w tej powolnej kosmicznej ewolucji gwiazd wyłaniają się jako pierwsze, rozświetlając pierwotną ciemność.
Pomysł polegał na tym, że przeszliśmy od wczesnej generacji gwiazd do galaktyk zdominowanych głównie przez gwiazdy – dodał Begelman. Następnie, pod koniec tego procesu, zaczęły powstawać czarne dziury.
Uważano, że supermasywne czarne dziury, te enigmatyczne i potężne byty, pojawiają się po pierwszych gwiazdach, spokojnie rosnąc w jądrze galaktyki. Były one postrzegane jako regulatory, które od czasu do czasu wybuchały, aby złagodzić formowanie się nowych gwiazd, utrzymując w ten sposób galaktyczną równowagę.
Podważanie konwencjonalnej mądrości
Dzięki obserwacjom „małych czerwonych kropek” przez JWST naukowcy odkryli, że pierwsze galaktyki we Wszechświecie były jaśniejsze niż oczekiwano, ponieważ wiele z nich pokazywało gwiazdy współistniejące z centralnymi czarnymi dziurami znanymi jako kwazary.
Kwazary są najjaśniejszymi obiektami we Wszechświecie – wyjaśnił Silk. Są produktami akrecji gazu na masywne czarne dziury w jądrach galaktyk, które generują ogromną jasność, przyćmiewającą ich galaktyki macierzyste. Są jak potwory w kukułczym gnieździe.
Widząc współistnienie gwiazd z czarnymi dziurami, naukowcy szybko zdali sobie sprawę, że konwencjonalne teorie powstawania galaktyk muszą być błędne. [Te nowe dane] wyglądają tak, jakby [proces był] odwrócony, że te czarne dziury uformowały się wraz z pierwszymi gwiazdami, a następnie reszta galaktyki podążyła za nimi – powiedział Begelman. Mówimy, że wzrost czarnej dziury na początku promuje gwiazdy. Dopiero później, gdy zmieniają się warunki, przechodzi w tryb wyłączania gwiazd.
Na podstawie tego zaproponowanego nowego procesu, naukowcy odkryli, że związek między formowaniem się gwiazd a powstawaniem czarnych dziur wydawał się być bliższy niż się początkowo sądziło, ponieważ każde zjawisko początkowo wzmacniało wzrost drugiego poprzez proces znany jako dodatnie sprzężenie zwrotne.
Formowanie się gwiazd przyspiesza formowanie się masywnych czarnych dziur i odwrotnie, w nierozerwalnie połączonej grze przemocy, narodzin i śmierci, która jest nowym światłem formowania się galaktyk – powiedział Silk.
Następnie, po prawie miliardzie lat, pielęgnujące olbrzymy zaczęły tłumić, wyczerpując zbiorniki gazu w swoich galaktykach i wygaszając formowanie się gwiazd. To „ujemne sprzężenie zwrotne” było spowodowane wypływami oszczędzającymi energię – potężnymi wiatrami, które wypychały gaz z galaktyk, pozbawiając je materiału potrzebnego do tworzenia nowych gwiazd.
Nowa galaktyczna oś czasu
Uzbrojeni w nowe odkrycia na temat zachowania czarnych dziur, naukowcy zaproponowali nową oś czasu dla przejścia od dodatniego do ujemnego sprzężenia zwrotnego we wczesnym formowaniu się galaktyk. Przyglądając się różnym widmom światła i sygnaturom chemicznym emitowanym przez te „małe czerwone kropki”, naukowcy sugerują, że ta zmiana nastąpiła około 13 miliardów lat temu, czyli miliard lat po Wielkim Wybuchu, w okresie, który astronomowie klasyfikują jako z ≈6.
Zidentyfikowanie tej epoki przejściowej pozwala astronomom skoncentrować się na konkretnych okresach w historii Wszechświata. To może być pomocne w opracowaniu przyszłych strategii obserwacyjnych, wykorzystując teleskopy takie jak JWST i inne, aby skuteczniej badać wczesny Wszechświat. Dodatkowo, poprzez zrozumienie, kiedy ta zmiana nastąpiła, astronomowie mogą lepiej ocenić w szerszym kontekście charakterystykę współczesnych galaktyk, w tym ich rozmiar, kształt, skład gwiazdowy i poziom aktywności.
Weryfikacja nowego procesu
Aby zweryfikować tę nową teorię współpracy gwiazd i czarnych dziur w procesie formowania się galaktyk i zapewnić dalszy wgląd w zachodzące procesy, potrzebne są symulacje komputerowe.
To zajmie trochę czasu – powiedział Begelman. Obecne symulacje komputerowe są raczej prymitywne, a do zrozumienia wszystkiego potrzebna jest wysoka rozdzielczość. Wymaga to dużej mocy obliczeniowej i jest kosztowne.
Do tego czasu społeczność astronomiczna może podjąć inne kroki, aby zweryfikować i potwierdzić tę nową teorię.
Kolejne kroki będą wynikać z ulepszonych obserwacji – dodał Silk. Pełna moc JWST do badania widm najbardziej odległych galaktyk zostanie uwolniona w ciągu najbliższych lat.
Zarówno Begelman, jak i Silk są optymistami, jeżeli chodzi o przyjęcie proponowanego przez nich pomysłu resztę branży.
O ile mi wiadomo, jesteśmy pierwszymi, którzy poszli w tak ekstremalnym kierunku – powiedział Begelman. Przez lata wraz z moimi współpracownikami pracującymi nad problemem powstawania czarnych dziur przesuwałem granice. Ale JWST pokazuje nam, że nie myśleliśmy wystarczająco nieszablonowo.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
