Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, astronomowie zaobserwowali dramatyczny „taniec” pomiędzy supermasywną czarną dziurą a dwiema galaktykami satelitarnymi. Obserwacje te mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób rosły galaktyki i supermasywne czarne dziury we wczesnym wszechświecie.
Ta supermasywna czarna dziura żywi się otaczającą ją materią i dostarcza jasnego kwazara tak odległego, że Teleskop Jamesa Webba widzi ją w stanie niecały miliard lat po Wielkim Wybuchu. Kwazar, nazwany PJ308-21, znajduje się w aktywnym jądrze galaktycznym (AGN) w galaktyce będącej w procesie łączenia się z dwiema masywnymi galaktykami satelitarnymi.
Zespół nie tylko ustalił, że czarna dziura ma masę równoważną dwóm miliardom słońc, ale odkrył także, że zarówno kwazar, jak i galaktyki biorące udział w tym połączeniu są wysoce rozwinięte, co jest zaskoczeniem, biorąc pod uwagę, że istniały, gdy 13,8-letnia- stary wszechświat był tylko niemowlęciem.
Połączenie tych trzech galaktyk prawdopodobnie dostarczy ogromne ilości gazu i pyłu do supermasywnej czarnej dziury, ułatwiając jej wzrost i umożliwiając jej dalsze zasilanie PJ308-21.
Powiązany: Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykrył „ekstremalnie czerwoną” supermasywną czarną dziurę rosnącą we wczesnym wszechświecie
„Nasze badanie pokazuje, że obie czarne dziury znajdują się w centrach o dużym przesunięciu ku czerwieni [early and distant] „Kwazary i galaktyki, w których je zamieszkują, przechodzą bardzo wydajny i burzliwy wzrost już w ciągu pierwszego miliarda lat historii Wszechświata, wspomagany przez bogate środowisko galaktyczne, w którym powstają te źródła” – mówi kierownik zespołu Roberto DeCarli, badacz z Włoskiego Instytutu Narodowego Astrofizyki (INAF). – stwierdził w oświadczeniu.
Dane zebrano we wrześniu 2022 roku za pomocą instrumentu JWST Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec) w ramach programu 1554, którego celem jest monitorowanie połączenia galaktyki, w której znajduje się PJ308-21, z dwiema jej galaktykami księżycowymi.
DeCarli dodał, że praca ta była prawdziwą „emocjonalną podróżą” dla zespołu, który opracował innowacyjne rozwiązania pozwalające przezwyciężyć początkowe trudności w redukcji danych i stworzyć obrazy z niepewnością mniejszą niż 1% na piksel.
Kwazary powstają, gdy ogromne ilości gazu i pyłu otaczają supermasywne czarne dziury o masie milionów lub miliardów mas Słońca, które leżą w sercach galaktyk. Materia ta tworzy płaską chmurę zwaną dyskiem akrecyjnym, która krąży wokół czarnej dziury i stopniowo ją zasila.
Ogromne siły grawitacyjne czarnej dziury generują potężne siły pływowe w tym dysku akrecyjnym, podnosząc temperaturę gazu i pyłu do 120 000 stopni Fahrenheita (67 000 stopni Celsjusza). Powoduje to, że światło z dysku akrecyjnego emituje całe spektrum elektromagnetyczne. Ta emisja jest często jaśniejsza niż łączne światło każdej gwiazdy w otaczającej galaktyce, co czyni kwazary takie jak PJ308-21 jednymi z najjaśniejszych obiektów we wszechświecie.
Chociaż czarne dziury nie mają właściwości, które można wykorzystać do określenia ich ewolucji, mają je ich dyski akrecyjne (a tym samym kwazary). W rzeczywistości wiek galaktyk można „oszacować” w ten sam sposób.
Wczesny Wszechświat był pełen wodoru, najlżejszego i najprostszego pierwiastka, oraz niewielkiej ilości helu. Stanowiło to podstawę dla pierwszych gwiazd i galaktyk, ale w ciągu życia tych ciał gwiazdowych wytworzyły one pierwiastki cięższe od wodoru i helu, które astronomowie nazywają „metalami”.
Kiedy te gwiazdy zakończyły swoje życie w masywnych eksplozjach supernowych, metale te rozprzestrzeniły się po galaktykach i stały się elementami budulcowymi gwiazd nowej generacji. Proces ten spowodował, że gwiazdy, a przez nie galaktyki, stopniowo stają się „bogate w metal”.
Zespół odkrył, że podobnie jak większość aktywnych jąder galaktycznych, aktywne jądro PJ308-21 jest bogate w metale, a otaczający go gaz i pył podlegają procesowi „fotojonizacji”. Jest to proces, w którym cząstki światła, zwane fotonami, dostarczają energię potrzebną elektronom do ucieczki z atomów, tworząc elektrycznie naładowane jony.
Jedna z galaktyk łączących się z galaktyką macierzystą PJ308-21 jest również bogata w metale, a jej materia jest również częściowo fotojonizowana przez promieniowanie elektromagnetyczne kwazara.
Fotojonizacja zachodzi również w drugiej galaktyce księżycowej, ale w tym przypadku jest spowodowana atakiem szybkiego powstawania gwiazd. Ta druga galaktyka różni się również od pierwszej galaktyki i galaktyki aktywnej tym, że wydaje się być uboga w metale.
„Dzięki NIRSpec możemy po raz pierwszy zbadać dziedzinę optyczną, która jest bogata w cenne dane diagnostyczne na temat właściwości gazu w pobliżu czarnej dziury w galaktyce, w której znajduje się kwazar, oraz w otaczających ją galaktykach” – powiedział członek zespołu i astrofizyk z Narodowy Instytut Astrofizyki Federica Loiacono. „Możemy zobaczyć na przykład emisję atomów wodoru i porównać ją z emisją pierwiastków chemicznych wytwarzanych przez gwiazdy, aby określić, jak bogaty jest gaz w metale”.
Chociaż światło tego kwazara z wczesnego Wszechświata pojawia się w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego, w tym w świetle optycznym i promieniach rentgenowskich, jedynym sposobem jego obserwacji jest podczerwień.
Dzieje się tak dlatego, że długość fali światła, które podróżowało ponad 12 miliardów lat, aby dotrzeć do Teleskopu Jamesa Webba, uległa dramatycznemu „rozciągnięciu”. To „przesuwa” światło w kierunku „czerwonego końca” widma elektromagnetycznego, zjawisko to astronomowie nazywają „przesunięciem ku czerwieni”, co symbolizuje litera „z”.
Teleskop Jamesa Webba ma wyjątkową zdolność widzenia obiektów i zdarzeń o „wysokim przesunięciu ku czerwieni” lub „wysokim przesunięciu ku czerwieni”, takich jak PJ308-21, dzięki swojej wrażliwości na światło podczerwone.
Loiacono zakończył stwierdzeniem: „Dzięki czułości Teleskopu Jamesa Webba w bliskiej i średniej podczerwieni możliwe stało się badanie widma kwazarów i galaktyk towarzyszących w odległym wszechświecie z niespotykaną precyzją. Obserwacje te można jedynie zapewnić dzięki doskonałemu „widokowi” dostarczonemu przez Teleskop Jamesa Webba”.
Badania zespołu zostały przyjęte do publikacji w czerwcu 2024 roku w czasopiśmie Astronomia i astrofizyka.
„Odkrywca. Nieprzepraszający przedsiębiorca. Fanatyk alkoholu. Certyfikowany pisarz. Wannabe tv ewangelista. Fanatyk Twittera. Student. Badacz sieci. Miłośnik podróży.”
More Stories
Jak czarne dziury stały się tak duże i szybkie? Odpowiedź kryje się w ciemności
Według skamieniałości prehistoryczna krowa morska została zjedzona przez krokodyla i rekina
Wystrzelenie rakiety Falcon 9 firmy SpaceX zostało wstrzymane ze względu na zbliżanie się dwóch głównych misji załogowych lotów kosmicznych