Czarne dziury i kwazary powstały niecałe miliard lat po Wielkim Wybuchu

Wydaje się, że w centrum każdej galaktyki istnieją supermasywne czarne dziury, których początki sięgają pierwszych galaktyk we wszechświecie. Nie mamy pojęcia, jak się tam dostali. Nie powinno być możliwe, aby tak szybko przekształciły się z pozostałości supernowych w ogromne rozmiary. Nie znamy żadnego innego mechanizmu, który mógłby stworzyć coś na tyle dużego, że wykładniczy wzrost nie byłby konieczny.

Pozorna niemożność istnienia supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie była rzeczywiście niewielkim problemem; Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pogorszył sytuację, znajdując wcześniejsze przykłady galaktyk z supermasywnymi czarnymi dziurami. W najnowszym przykładzie badacze wykorzystali Webba do scharakteryzowania kwazara zasilanego przez supermasywną czarną dziurę, jaka istniała około 750 milionów lat po Wielkim Wybuchu. I wygląda to szokująco normalnie.

Patrząc wstecz w czasie

Kwazary to najjaśniejsze obiekty we wszechświecie, aktywnie zasilane przez supermasywne czarne dziury. Otaczająca je galaktyka dostarcza im wystarczającej ilości materiału, aby utworzyć jasne dyski akrecyjne i potężne dżety, które emitują duże ilości promieniowania. Często są one częściowo pokryte pyłem, który świeci w wyniku pochłaniania części energii emitowanej przez czarną dziurę. Kwazary te emitują tak dużo promieniowania, że ​​ostatecznie całkowicie wypychają pobliską materię z galaktyki.

Zatem obecność tych obiektów we wczesnym wszechświecie powiedziałaby nam, że supermasywne czarne dziury nie tylko istniały we wczesnym wszechświecie, ale także zostały włączone do galaktyk, tak jak miało to miejsce niedawno. Ale ich studia były bardzo trudne. Po pierwsze, nie zidentyfikowaliśmy wielu z nich; Istnieje tylko dziewięć kwazarów, których początki sięgają czasów, gdy Wszechświat miał 800 milionów lat. Ze względu na tę odległość trudno jest zidentyfikować cechy, a przesunięcie ku czerwieni spowodowane ekspansją Wszechświata pochłania intensywne promieniowanie ultrafioletowe wielu pierwiastków i rozciąga je w głęboką podczerwień.

Jednakże teleskop Webba został specjalnie zaprojektowany do wykrywania obiektów we wczesnym Wszechświecie dzięki swojej czułości na długości fal podczerwonych, w których pojawia się to promieniowanie. Nowe badania polegają więc na skierowaniu Webba na pierwszy z dziewięciu odkrytych kwazarów, J1120+0641.

I wygląda… zadziwiająco normalnie. A przynajmniej bardzo podobne do kwazarów z nowszych okresów w historii wszechświata.

Przeważnie normalne

Naukowcy przeanalizowali ciągłość promieniowania kwazara i znaleźli wyraźne przesłanki, że było ono osadzone w masie gorącego, pyłowego materiału, co widać w późniejszych kwazarach. Pył ten jest nieco gorętszy niż niektóre współczesne kwazary, ale wydaje się, że jest to wspólna cecha tych obiektów we wczesnych stadiach historii Wszechświata. W widmie emisyjnym pojawia się również promieniowanie z dysku akrecyjnego.

Różne metody szacowania wartości produkowanych masowo dla czarnej dziury w obszarze 10⁹ Masa wielokrotnie większa od Słońca, co wyraźnie wskazuje na obszar supermasywnej czarnej dziury. Istnieją również dowody, w postaci lekkiego przesunięcia części promieniowania w stronę błękitu, na to, że kwazar wydmuchuje materię z prędkością około 350 kilometrów na sekundę.

Jest kilka dziwactw. Po pierwsze, materiał wydaje się opadać do wewnątrz z prędkością około 300 kilometrów na sekundę. Może to być spowodowane obracaniem się materiału w dysku akrecyjnym od nas. Ale jeśli tak, musi go spotkać materia obracająca się w naszym kierunku po drugiej stronie dysku. Zaobserwowano to jeszcze kilka razy w bardzo wczesnych kwazarach, ale badacze przyznają, że „fizyczne pochodzenie tego efektu jest nieznane”.

Jedną z opcji, którą sugerują jako wyjaśnienie, jest to, że cały kwazar się porusza, wytrącony ze swojej pozycji w centrum galaktyki w wyniku poprzedniego połączenia z inną supermasywną czarną dziurą.

Kolejną dziwną rzeczą jest to, że istnieje również bardzo szybki przepływ silnie zjonizowanego węgla, poruszający się dwukrotnie szybciej niż w kwazarach w późniejszych czasach. Widzieliśmy to już wcześniej, ale nie ma na to żadnego wyjaśnienia.

Jak to się stało?

Pomimo osobliwości obiekt ten bardzo przypomina niedawne kwazary: „Nasze obserwacje pokazują, że złożone struktury pyłowego torusa i gwiazdy [accretion disk] Może się sprawdzić w okolicach a [supermassive black hole] „Mniej niż 760 milionów po Wielkim Wybuchu”.

Ponownie jest to pewien problem, ponieważ sugeruje obecność supermasywnej czarnej dziury wbudowanej w jej galaktykę macierzystą na bardzo wczesnym etapie historii wszechświata. Aby osiągnąć pokazane tutaj rozmiary, czarne dziury przekraczają tak zwaną granicę Eddingtona, czyli ilość materiału, jaką mogą wciągnąć, zanim powstałe promieniowanie wyrzuci pobliską materię, dławiąc zapasy pożywienia czarnej dziury.

Sugeruje to dwie opcje. Po pierwsze, przez większość swojej historii obiekty te absorbowały materię znacznie przekraczającą granicę Eddingtona, czego nie zaobserwowaliśmy i z pewnością nie jest to prawdą w przypadku tego kwazara. Inną opcją jest to, że zaczęli bardzo mocno (około 10⁴ razy większa od masy Słońca) i nadal zasilała w bardziej rozsądnym tempie. Ale tak naprawdę nie wiemy, jak mogło powstać coś tak dużego.

Dlatego wczesny wszechświat pozostaje dość zagmatwanym miejscem.

Astronomia Naturalna, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (O identyfikatorach cyfrowych).