Małe kwazary: rosnące supermasywne czarne dziury
W pierwszym roku swojej pracy JWST odkrył dużą liczbę słabych, małych czerwonych punktów w odległym Wszechświecie, co może zmienić nasz sposób rozumienia genezy supermasywnych czarnych dziur.
Olbrzymi kwazar i małe czerwone kropki. Obraz EIGER JWST świecącego kwazara J1148+5251, niezwykle rzadkiej aktywnej SMBH o masie 10 miliardów mas Słońca (niebieska ramka). W tym samym zestawie danych widoczne są dwa „dziecięce kwazary” (czerwone pola). Źródło: NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH Zurich), D. Kashino (National Observatory of Japan), S. Lilly (ETH Zurich)
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) dokonał jednego z najbardziej nieoczekiwanych odkryć w ciągu pierwszego roku swojej pracy: duża liczba słabych, małych czerwonych punktów w odległym Wszechświecie może zmienić sposób, w jaki rozumiemy genezę supermasywnych czarnych dziur. Badania prowadzone pod kierunkiem Jorryta Matthee, adiunkta astrofizyki w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (ISTA), zostały opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal.
Kilka małych czerwonych kropek znalezionych w niewielkim regionie naszego nocnego nieba może być nieoczekiwanym przełomem dla Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w pierwszym roku jego działania. Obiekty te były nie do odróżnienia od normalnych galaktyk przez „oczy” starszego Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (HST). Mimo, że JWST nie został opracowany do tego konkretnego celu, pomógł nam ustalić, że słabe, małe czerwone kropki – znalezione bardzo daleko w odległej przeszłości Wszechświata – są małymi wersjami niezwykle masywnych czarnych dziur. Te szczególne obiekty mogą zmienić sposób, w jaki myślimy o genezie czarnych dziur – powiedział Jorryt Matthee. Obecne odkrycia mogą przybliżyć nas o krok do odpowiedzi na jeden z największych dylematów w astronomii: zgodnie z obecnymi modelami, niektóre supermasywne czarne dziury we Wszechświecie po prostu rosły „zbyt szybko”. Jak więc powstały?
Kosmiczne punkty bez powrotu
Naukowcy przez długi czas uważali czarne dziury za matematyczną ciekawostkę, dopóki ich istnienie nie stało się coraz bardziej oczywiste. Te kosmiczne dziury bez dna mogą mieć tak zwartą masę i tak silną grawitację, że nic nie może uciec przed ich siłą przyciągania – zasysają wszystko, łącznie z kosmicznym pyłem, planetami i gwiazdami, deformują przestrzeń i czas wokół siebie w taki sposób, że nawet światło nie jest w stanie uciec. Ogólna teoria względności, opublikowana przez Alberta Einsteina ponad sto lat temu, przewidywała, że czarne dziury mogą mieć dowolną masę. Jednymi z najbardziej intrygujących czarnych dziur są supermasywne czarne dziury (SMBH), które mogą osiągać masę miliony do miliardów razy większą od masy Słońca. Astrofizycy zgadzają się, że w centrum niemal każdej dużej galaktyki znajduje się SMBH. Dowód na to, że Sagittarius A* jest SMBH w centrum naszej Galaktyki o masie ponad cztery miliony razy większej niż masa Słońca, został nagrodzony Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku.
Zbyt masywne, by tam być
Jednak nie wszystkie SMBH są takie same. Podczas gdy Sagittariusa A* można porównać do śpiącego wulkanu, niektóre SMBH rosną niezwykle szybko, pochłaniając astronomiczne ilości masy. 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 być zbyt masywne, zbyt masywne biorąc pod uwagę wiek Wszechświata, w którym kwazary są obserwowane. Nazywamy je „problematycznymi kwazarami” – powiedział Matthee. Jeżeli weźmiemy pod uwagę, że kwazary powstają w wyniku eksplozji masywnej gwiazdy – i że znamy ich maksymalne tempo wzrostu na podstawie ogólnych praw fizyki – niektóre z nich wyglądają, jakby rosły szybciej niż to możliwe. To tak, jakby patrzeć na pięcioletnie dziecko, które ma dwa metry wzrostu. Coś się nie zgadza – wyjaśnia. Czy SMBH mogą rosnąć jeszcze szybciej niż pierwotnie sądziliśmy? A może formują się inaczej?
Małe wersje olbrzymich kosmicznych potworów
Teraz Matthee oraz jego koledzy zidentyfikowali populację obiektów, które pojawiają się jako małe czerwone kropki na obrazach JWST. Wykazali również, że obiekty te są SMBH, ale nie są zbyt masywne. Kluczowe znaczenie w ustaleniu, że obiekty te są SMBH, miało wykrycie widmowych linii emisyjnych Hα o szerokich profilach liniowych. Linie Hα to linie widmowe w głęboko czerwonym obszarze światła widzialnego, które są emitowane, gdy atomy wodoru są podgrzewane. Szerokość widma odzwierciedla ruch gazu. Im szersza podstawa linii Hα, tym większa prędkość gazu. W ten sposób widma te mówią nam, że patrzymy na bardzo mały obłok gazu, który porusza się niezwykle szybko i krąży wokół czegoś bardzo masywnego, jak SMBH – powiedział Matthee. Małe czerwone kropki nie są jednak olbrzymimi kosmicznymi potworami, jakie można znaleźć w zbyt masywnych SMBH. Podczas gdy „problematyczne kwazary” są niebieskie, niezwykle jasne i osiągają masę miliardy razy większą od masy Słońca, małe czerwone kropki są bardziej jak „dziecięce kwazary”. Ich masy mieszczą się w przedziale od dziesięciu do stu milionów mas Słońca. Ponadto wydają się czerwone, ponieważ są zapylone. Pył przesłania czarne dziury i zaczerwienia kolory – powiedział Matthee. Ostatecznie jednak wypływ gazu z czarnych dziur przebije kokon pyłowy i z tych małych czerwonych kropek wyewoluują olbrzymy. Astrofizyk ISTA i jego zespół sugerują więc, że małe czerwone kropki są małymi, czerwonymi wersjami olbrzymich 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 zespół odkryli dziecięce kwazary dzięki danym ze współpracy EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) i FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Programy te, w które zaangażowany był Matthee, stanowią duży i średni program JWST. W grudniu 2023 roku magazyn Physics World wymienił EIGER wśród 10 przełomów roku 2023. EIGER został zaprojektowany do badania rzadkich niebieskich supermasywnych kwazarów i ich otoczenia. Nie został zaprojektowany do znajdowania małych czerwonych kropek. Ale znaleźliśmy je przypadkowo w tym zbiorze danych. Dzieje się tak dlatego, że wykorzystując kamerę bliskiej podczerwieni JWST, EIGER pozyskuje widma emisyjne wszystkich obiektów we Wszechświecie – powiedział Matthee. Jeżeli podniesiesz palec wskazujący i całkowicie wyciągniesz rękę, obszar nocnego nieba, który zbadaliśmy, odpowiada mniej więcej 1/20 powierzchni twojego paznokcia. Jak dotąd, prawdopodobnie jedynie zarysowaliśmy powierzchnię.
Matthee jest przekonany, że obecnie badanie otworzy wiele możliwości i pomoże odpowiedzieć na niektóre z najważniejszych pytań dotyczących Wszechświata. Czarne dziury i SMBH są prawdopodobnie najbardziej interesującymi rzeczami we Wszechświecie. Trudno wyjaśnić, dlaczego tam są, ale są. Mamy nadzieję, że ta praca pomoże nam uchylić rąbka jednej z największych tajemnic dotyczących Wszechświata – podsumował.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
