Obserwacje starożytnych galaktyk zwanych „Małymi Czerwonymi Kropkami” przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) mogą wreszcie odpowiedzieć na pytanie: co jest pierwsze, czarna dziura czy jej galaktyka? Okazuje się, że odpowiedź nie jest taka, jakiej oczekiwali naukowcy, a zatem może oznaczać całkowitą zmianę paradygmatu w naszym rozumieniu sposobu wzrostu czarnych dziur.
Małe czerwone kropki zostały po raz pierwszy zauważone w 2022 r. przez JWSTod razu prezentując się astronomom jako coś zupełnie nowego, być może rodzaj galaktyki, jakiego nigdy wcześniej nie widziano. Tajemnica tych obiektów pogłębiła się, gdy naukowcy odkryli, że są one niezwykle powszechne w niemowlęcym wszechświecie, ale wydają się znikać około 1,5 miliarda lat po Wielki Wybuch. Ale Little Red Dots to nie jedyna kosmiczna tajemnica, którą JWST wpadł w ręce naukowców.
Teleskop kosmiczny o wartości 10 miliardów dolarów również odkrył bogactwo supermasywne czarne dziury o masie od milionów do miliardów mas Słońca, zanim Wszechświat miał 1 miliard lat. Jest to problematyczne, ponieważ zawsze sądzono, że procesy zasilania i łączenia, które pozwalają czarnym dziurom urosnąć do stanu supermasywnego, trwają dłużej niż 1 miliard lat.
Nowe badanie Little Red Dots przeprowadzone przez JWST wskazuje, że być może supermasywne czarne dziury narodziły się bezpośrednio, bez konieczności istnienia masywnej gwiazdy, która żyła przez miliony lat, zanim zapadła się, tworząc masę gwiazdową czarna dziura. Oznacza to również, że te wczesne supermasywne czarne dziury nie musiałyby pochłaniać dużych ilości gazu i pyłu z galaktyk macierzystych, aby rosnąć. Oznacza to, że te czarne dziury mogą powstać zanim galaktyki, które ostatecznie będą ich gospodarzami, łączą się.
„To niezwykłe odkrycie” – stwierdził w oświadczeniu członek zespołu Roberto Maiolino z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii. „To zmiana paradygmatu, całkowite ponowne spojrzenie na klasyczne scenariusze powstawania i wzrostu czarnych dziur”. Wyniki badań zespołu opublikowano w środę (27 maja) w czasopismach Natura i Miesięczne powiadomienia Królewskiego Towarzystwa Astronomicznego
Little Red Dots z pomocą Einsteina umieścił czarne dziury na miejscu
Aby dojść do takich wniosków, naukowcy skupili się na małej czerwonej kropce oznaczonej jako Abell2744-QSO1 (QSO1), która istniała 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Oznacza to, że światło z tej starożytnej galaktyki, która ma zaledwie 1300 lat świetlnych szerokości, podróżuje do Ziemi od nieco ponad 13 miliardów lat.
QSO1 jest łatwiejsze do zbadania niż inne Małe Czerwone Kropki ze względu na zjawisko zwane soczewkowanie grawitacyjne.
Po raz pierwszy zasugerowany przez Einsteina w 1915 rsoczewkowanie grawitacyjne ma miejsce, gdy obiekt o dużej masie znajduje się pomiędzy bardziej odległym obiektem tła a Ziemią. Gdy światło przechodzi przez ten środkowy, czyli „soczewkujący” obiekt, jego droga jest zakrzywiona przez zakrzywienie czasoprzestrzeni spowodowane przez ciało soczewkujące; im bliżej obiektu przechodzi światło, tym bardziej zakrzywiona jest jego droga. Oznacza to, że światło z obiektów tła może docierać do naszych teleskopów w różnym czasie, powiększając w ten sposób obiekt tła.
W przypadku QSO1 ta Mała Czerwona Kropka jest soczewkowana grawitacyjnie przez gromadę galaktyk Abell 2744, znaną również jako Gromada Pandory.
Naukowcy początkowo sądzili, że QSO1 to w rzeczywistości po prostu supermasywna czarna dziura o masie 40 milionów razy większej od Słońca, otoczona chmurą gazowego wodoru i helu. Jednak naukowcy nie mogli być całkowicie pewni masy tej czarnej dziury.
„Wcześniej wszystkie pomiary mas czarnych dziur we wczesnym wszechświecie były pośrednie i opierały się na założeniach wynikających z tego, co wiemy o nich we wszechświecie lokalnym” – powiedział członek zespołu Francesco D’Eugenio, również z Uniwersytetu w Cambridge. „Nie wiedzieliśmy, czy te założenia naprawdę odnoszą się do odległego wszechświata”.
Zespół ten doszedł do wniosku, że jeśli serce czarnej dziury QSO1 jest tak masywne, jak początkowo sądzono, to jego masę należy obserwować w ruchu wirującego wokół niego gazu. Dlatego skorzystali z JWST NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do mapowania ruchu tego gazu i stwierdzania, że krąży on wokół centralnego punktu podobnego do sposobu, w jaki planety Układu Słonecznego krążą wokół Słońca, zjawisko to nazywa się Ruch Keplera.
„To ważne, ponieważ mówi nam, że większość masy QSO1 koncentruje się w czarnej dziurze w centrum” – powiedział współprzewodniczący zespołu Ignas Juodžbalis z Uniwersytetu w Cambridge. „Gdyby masa była bardziej rozłożona, tak jak miałoby to miejsce w przypadku dużej liczby gwiazd, gaz nie miałby idealnej rotacji keplerowskiej”.
Umożliwiło to zespołowi po raz pierwszy bezpośredni pomiar masy centralnej czarnej dziury QSO1.
„To fenomenalny wynik” – dodał Maiolino. „To pierwszy bezpośredni pomiar masy czarnej dziury w ciągu pierwszego miliarda lat po Wielkim Wybuchu i jest zgodny z poprzednimi pomiarami”.
To ujawniło, że przy masie 50 milionów mas Słońca supermasywna czarna dziura stanowi niewiarygodne 66% całkowitej masy tej Małej Czerwonej Kropki. Jest to stosunek tysiące razy większy niż stosunek masy supermasywnej czarnej dziury do masy galaktyki występującej we wszechświecie lokalnym.
Ten stosunek wskazuje, że ta czarna dziura nie mogła narodzić się z zapadającej się gwiazdy i stopniowego zasilania przez otaczającą ją galaktykę, co wskazuje, że narodziła się „duża”, a teraz ma wokół siebie coś, co ostatecznie wyrośnie i stanie się galaktyką.
Nadal istnieją tajemnice otaczające czarną dziurę QSO1, w szczególności pytania dotyczące jej powstania. Zespół uważa, że czarna dziura mogła wyrosnąć z „ciężkie ziarno” narodził się z zapadającej się chmury gazu i pyłu. Alternatywnie mógł narodzić się bezpośrednio w początkowych momentach Wielkiego Wybuchu w wyniku nieznanego jeszcze procesu
Zespół jest stosunkowo pewien, że QSO1 nie może być rzadkie wśród Małych Czerwonych Kropek we wczesnym wszechświecie. Obecnie oceniają inne Małe Czerwone Kropki, aby ustalić, czy zawierają one również supermasywne czarne dziury wraz z formującymi się wokół nich galaktykami.
