Odkrywanie pochodzenia supermasywnych czarnych dziur

Czarne dziury o wyjątkowo dużych masach – ponad milion razy większych od masy Słońca, znane jako supermasywne czarne dziury (SMBH) – są dziś powszechnie spotykane we wszechświecie. Jednak jego pochodzenie, a także szczegóły dotyczące tego, kiedy, gdzie i jak pojawiła się na przestrzeni 13,8 miliardów lat kosmicznej ewolucji, pozostają tajemnicze.

Badania przeprowadzone w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat wskazują, że w jądrze każdej galaktyki znajdują się małe, niezwykle masywne galaktyki, których masa jest zawsze jedną tysięczną masy galaktyki macierzystej.

Ta bliska zależność wskazuje, że galaktyki i ultramasywne galaktyki ewoluowały razem. Dlatego odkrycie pochodzenia masywnych gwiazd jest kluczowe nie tylko dla zrozumienia samych masywnych planet, ale także dla wyjaśnienia procesów powstawania galaktyk, kluczowych składników obserwowalnego Wszechświata.

Klucz do rozwiązania tego problemu leży w początkach wszechświata, wraz z upływem czasu od jego pojawienia się wielka eksplozja (tj. początek wszechświata) miał miejsce niecały miliard lat temu. Dzięki skończonej prędkości światła możemy zajrzeć w przeszłość obserwując odległy wszechświat. Czy małe i średnie obiekty naprawdę istniały, gdy Wszechświat miał zaledwie miliard lat lub mniej?

Przykład zdjęcia nocnego nieba, które wykonaliśmy za pomocą Teleskopu Subaru. Mała czerwona kropka pośrodku powiększonego zdjęcia przedstawia światło pochodzące z odległego kwazara, który istniał, gdy Wszechświat miał 800 milionów lat (13 miliardów lat świetlnych). Źródło: Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Japonii

Czy jest możliwe Czarna dziura Uzyskać tak dużą masę (ponad milion mas Słońca, a czasami sięgającą miliardów mas Słońca) w tak krótkim czasie? Jeśli tak, jakie są podstawowe mechanizmy i warunki fizyczne? Aby przybliżyć pochodzenie małych i średnich obiektów, należy je obserwować i porównywać ich właściwości z przewidywaniami modeli teoretycznych. Aby to zrobić, trzeba najpierw określić, gdzie się one znajdują na niebie.

Do przeprowadzenia badań zespół badawczy wykorzystał teleskop Subaru znajdujący się na szczycie góry Maunakea na Hawajach. Jedną z największych zalet Subaru są możliwości monitorowania dużego obszaru, które szczególnie dobrze nadają się do tego celu.

Ponieważ ultradrobne obiekty nie emitują światła, zespół poszukiwał specjalnej klasy zwanej kwazarami – małych, ultradrobnych obiektów z jasnymi prążkami, w których spadający materiał uwalnia energię grawitacyjną. Zaobserwowali szeroki obszar nieba odpowiadający 5000 razy pełni księżyca i pomyślnie odkryli 162 kwazary znajdujące się we wczesnym wszechświecie. W szczególności 22 z tych kwazarów istniały w epoce, w której Wszechświat miał mniej niż 800 milionów lat, czyli w najstarszym dotychczas okresie, w którym zidentyfikowano kwazary.

Duża liczba odkrytych kwazarów pozwoliła im określić podstawową miarę zwaną „funkcją jasności”, która opisuje gęstość przestrzenną kwazarów jako funkcję energii radiacyjnej. Odkryli, że kwazary formowały się bardzo szybko we wczesnym Wszechświecie, podczas gdy ogólny kształt funkcji jasności (z wyjątkiem amplitudy) pozostawał niezmieniony w czasie.

Funkcja jasności opisuje gęstość przestrzeni (Φ na osi pionowej) jako funkcję energii promieniowania (M1450 na osi poziomej). Narysujemy funkcje jasności kwazarów obserwowanych, gdy Wszechświat miał 0,8 (czerwone kropki), 0,9 (zielone romby), 1,2 (niebieskie kwadraty) i 1,5 (czarne trójkąty) miliardów lat. Krzywe reprezentują najbardziej odpowiednie formy funkcjonalne. Gęstość przestrzeni kwazarów gwałtownie wzrosła z biegiem czasu, podczas gdy kształt funkcji jasności pozostał prawie niezmieniony. Źródło: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

To wyraźne zachowanie funkcji jasności nakłada silne ograniczenia na modele teoretyczne, które ostatecznie mogą odtworzyć wszystkie obserwowalne elementy i opisać pochodzenie supermasywnych czarnych dziur.

Z drugiej strony było wiadomo, że Wszechświat we wczesnej fazie przeszedł poważną przemianę zwaną „kosmiczną rejonizacją”. Poprzednie obserwacje wskazują, że w tym przypadku cała przestrzeń międzygalaktyczna została zjonizowana. Źródło energii jonizacji jest wciąż przedmiotem dyskusji, a obiecującym kandydatem jest promieniowanie kwazarów.

Uwzględniając powyższą funkcję jasności, okazuje się, że kwazary emitują 10²⁸ Fotony na sekundę w jednostce objętości 1 Rok świetlny Z jednej strony we wczesnym wszechświecie. Stanowi to mniej niż 1% fotonów potrzebnych do utrzymania stanu zjonizowanego przestrzeni międzygalaktycznej w tamtym czasie, co wskazuje, że kwazary wniosły jedynie niewielki wkład w kosmiczną rejonizację. Pilnie potrzebne są inne źródła energii, którymi, według innych niedawnych obserwacji, może być promieniowanie wbudowane w gorące, masywne gwiazdy podczas powstawania galaktyk.

Odniesienie: „Funkcja jasności kwazara przy z = 7” autorstwa Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, Jun D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang i Takuji Yamashita, 6 czerwca 2023 r., the Listy do dzienników astrofizycznych.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

Badanie zostało sfinansowane przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki, Fundację Mitsubishi i Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych.