Pozorování JWST odhalují zralý kvasar za kosmického úsvitu

Pozorování JWST odhalují zralý kvasar za kosmického úsvitu

Tento článek byl přezkoumán podle Science Proces editace
A Opatření.
redaktoři Při zajištění důvěryhodnosti obsahu byly zdůrazněny následující vlastnosti:

Kontrola faktů

Recenzovaná publikace

důvěryhodný zdroj

Korektura

Umělecký dojem z oblasti jasného jádra kvasaru, aktivní galaxie. Supermasivní černá díra ve středu je obklopena jasným diskem plynu a prachu. Prachový prvek vně může zakrývat pohled do interiéru a září většinou ve středním infračerveném rozsahu, což je světlo, které lze analyzovat vesmírným teleskopem Jamese Webba. Z bezprostřední blízkosti černé díry kolmo k disku vystupuje do vesmíru paprsek shromážděných vysokoenergetických částic. Kredit: T. Müller/MPIA

× Zavřít

Umělecký dojem z oblasti jasného jádra kvasaru, aktivní galaxie. Supermasivní černá díra ve středu je obklopena jasným diskem plynu a prachu. Prachový prvek vně může zakrývat pohled do interiéru a září většinou ve středním infračerveném rozsahu, což je světlo, které lze analyzovat vesmírným teleskopem Jamese Webba. Z bezprostřední blízkosti černé díry kolmo k disku vystupuje do vesmíru paprsek shromážděných vysokoenergetických částic. Kredit: T. Müller/MPIA

Vesmírný dalekohled Jamese Webba pozoroval galaxii ve velmi raném vesmíru. Při pohledu zpět je jasné, že světlu z galaxie nazvané J1120+0641 trvalo téměř tak dlouho, než dorazilo k Zemi, jako vývoj vesmíru do současnosti. Není možné vysvětlit, jak mohla černá díra ve svém středu v té době vážit více než miliardu slunečních hmot, jak ukázala nezávislá měření. Výsledky jsou zveřejněno V časopise Přírodní astronomie.

Nedávná pozorování hmoty v blízkosti černé díry měla odhalit zvláště účinný mechanismus výživy, ale nenašla nic konkrétního. Tento výsledek je velmi neobvyklý: může to znamenat, že astrofyzikové rozumí vývoji galaxií méně, než si mysleli. V žádném případě to však není zklamání.

První miliarda let kosmické historie představuje výzvu: nejstarší známé černé díry v centrech galaxií mají překvapivě velké hmotnosti. Jak se stali tak velkými a tak rychlými? Zde popsaná nová pozorování poskytují silné důkazy proti některým navrhovaným vysvětlením, zejména proti „ultra-účinnému režimu výživy“ prvních černých děr.

Omezení růstu supermasivní černé díry

Hvězdy a galaxie se za posledních 13,8 miliard let, což je věk vesmíru, dramaticky změnily. Galaxie se zvětšovaly a získávaly více hmoty, buď spotřebováním plynu, který je obklopoval, nebo (někdy) vzájemným sloučením. Astronomové dlouho předpokládali, že supermasivní černé díry v centrech galaxií postupně rostou spolu s galaxiemi samotnými.

Ale růst černé díry nemůže být libovolně rychlý. Materiál dopadající na černou díru tvoří rotující, horký, jasný „akreční disk“. Když k tomu dojde kolem supermasivní černé díry, výsledkem je aktivní galaktické jádro. Nejjasnější z těchto objektů, známé jako kvasary, patří mezi nejjasnější astronomické objekty v celém vesmíru. Tato jasnost však omezuje množství hmoty, která může dopadnout na černou díru: světlo vyvíjí tlak, který může zabránit vypadávání další hmoty.

Jak se černé díry staly tak masivními a tak rychle?

Proto byli astronomové překvapeni, když za posledních 20 let pozorování vzdálených kvasarů odhalilo velmi malé černé díry, které přesto dosahovaly hmotnosti až 10 miliard slunečních hmotností. Než se světlo dostane od vzdáleného objektu k nám, potřebuje čas, takže dívat se na vzdálené objekty znamená dívat se do vzdálené minulosti. Vidíme nejvzdálenější známé kvasary tak, jak existovaly v éře známé jako „kosmický úsvit“, méně než miliardu let po velkém třesku, kdy se zformovaly první hvězdy a galaxie.

Vysvětlení těchto raných masivních černých děr představuje hlavní výzvu pro současné modely vývoje galaxií. Mohly by rané černé díry být efektivnější při akumulaci plynu než jejich moderní protějšky? Nebo by mohla přítomnost prachu ovlivnit odhady hmotnosti kvasarů způsobem, který přiměl výzkumníky k nadhodnocení hmotnosti raných černých děr? V současné době je navrženo mnoho vysvětlení, ale žádné není široce přijímáno.

Bližší pohled na raný růst černé díry

Určení, které vysvětlení – pokud nějaké – je správné, vyžaduje úplnější obraz kvasarů, než jaký byl dříve k dispozici. S příchodem vesmírného dalekohledu JWST, konkrétně středo-infračerveného přístroje MIRI dalekohledu, zaznamenala schopnost astronomů studovat vzdálené kvasary obrovský skok. Pro měření spekter vzdálených kvasarů je MIRI 4000krát citlivější než jakýkoli předchozí přístroj.

Nástroje jako MIRI vyrábí mezinárodní konsorcia, kde vědci, inženýři a technici úzce spolupracují. Konsorcium má přirozeně velký zájem o testování, zda jejich zařízení fungují tak, jak mají.

Výměnou za vytvoření nástroje je konsorciím obvykle poskytnuta určitá doba sledování. V roce 2019, roky před vypuštěním vesmírného dalekohledu Jamese Webba, se evropské konsorcium MIRI rozhodlo využít nějaký ten čas k pozorování tehdy nejvzdálenějšího známého kvasaru, objektu s označením J1120+0641.

Pozorování jedné z nejstarších černých děr

Zodpovědnost za analýzu pozorování leží na Dr. Sarah Bosman, postdoktorandské výzkumné pracovnici v Institutu Maxe Plancka pro astronomii (MPIA) a člence evropského konsorcia MIRI. Příspěvky MPIA k nástroji MIRI zahrnují vybudování řady klíčových vnitřních částí. Boseman byl požádán, aby se připojil ke spolupráci MIRI, konkrétně proto, aby přinesl odborné znalosti o tom, jak lze přístroj nejlépe využít ke studiu raného vesmíru, zejména prvních supermasivních černých děr.

Pozorování byla provedena v lednu 2023, během prvního cyklu pozorování vesmírného dalekohledu Jamese Webba, a trvala asi dvě a půl hodiny. Představuje první střední infračervenou studii kvasaru během období kosmického úsvitu, pouhých 770 milionů let po velkém třesku (rudý posuv z=7). Informace nepochází z obrazu, ale ze spektra: duhový rozklad světla objektu na složky různých vlnových délek.

Sledujte rychle se pohybující prach a plyn

Obecný tvar středního infračerveného spektra („kontinuum“) kóduje charakteristiky velkého prstence prachu obklopujícího akreční disk v typických kvasarech. Tento torus pomáhá nasměrovat hmotu do akrečního disku a „krmit“ černou díru.

Špatná zpráva pro ty, jejichž upřednostňované řešení masivních raných černých děr spočívá v alternativních vzorcích rychlého růstu: torus, a tedy mechanismus krmení v tomto raném kvasaru, se zdá být stejný jako u jeho novějších protějšků. Jediný rozdíl je v tom, že žádný model nepředpovídal rychlý růst raných kvasarů: poněkud vyšší teplota prachu asi o sto K teplejší než 1300 K nalezená v žhavějším prachu méně vzdálených kvasarů.

Část spektra s kratší vlnovou délkou, které dominují emise ze samotného akrečního disku, ukazuje, že pro nás vzdálené pozorovatele není světlo kvasaru tlumeno větším množstvím prachu než obvykle. Odpovědí nejsou ani argumenty, že bychom mohli přeceňovat masy raných černých děr kvůli extra prachu.

Rané kvasary jsou „šokujícím způsobem přirozené“

Širokočárová oblast kvasaru, kde shluky plynu obíhají kolem černé díry rychlostí blízkou rychlosti světla – což umožňuje usuzovat na hmotnost, hustotu a ionizaci okolní hmoty černé díry – se také zdá normální. Téměř všemi vlastnostmi, které lze ze spektra získat, se J1120+0641 neliší od kvasarů pozdějších dob.

„Celkově nová pozorování přidávají záhadu: Rané kvasary byly šokujícím způsobem normální. Bez ohledu na to, jaké vlnové délky pozorujeme, kvasary jsou téměř identické ve všech epochách vesmíru,“ říká Bosman. Nejen samotné supermasivní černé díry, ale i jejich krmné mechanismy byly již docela „vyzrálé“, když byl vesmír pouhých 5 % svého současného stáří.

Tím, že vylučují řadu alternativních řešení, výsledky silně podporují myšlenku, že supermasivní černé díry začaly s velkými hmotnostmi od začátku, řečeno astronomickým jazykem: jsou „prapůvodní“ nebo „klasifikované velké“. Supermasivní černé díry nevznikly z pozůstatků raných hvězd, ale pak velmi rychle rostly. Musely se zformovat brzy s počátečními hmotnostmi alespoň 100 000 hmotností Slunce, pravděpodobně kolapsem masivních raných oblaků plynu.

více informací:
Sarah E. Bosman et al., Zralý kvasar za kosmického úsvitu detekovaný infračervenou spektroskopií klidového snímku na James Webb Space Telescope, Přírodní astronomie (2024). doi: 10.1038/s41550-024-02273-0

Informace z časopisu:
Přírodní astronomie


READ  Chandrayaan-3: Indická vesmírná agentura Isro říká, že z lunárního přistávacího modulu zatím není žádný signál

You May Also Like

About the Author: Waldo Kemp

"Hudební učenec. Spisovatel. Zlý slanina evangelista. Hrdý twitter narkoman. Myslitel. Milovník internetu. Jemně okouzlující hráč."

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *