Supermasivní černé díry v raném vesmíru zpochybňují kosmologické teorie

Supermasivní černé díry v raném vesmíru zpochybňují kosmologické teorie

Umělecké ztvárnění oblasti jasného jádra kvasaru, aktivní galaxie. Supermasivní černá díra ve středu je obklopena jasným diskem plynu a prachu. Nejvzdálenější prachová složka může zakrývat výhled do nitra a svítí primárně 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 vysokoenergetických částic. Copyright: © T. Müller / MPIA

Překvapivě nepřekvapivé: černá díra už v raném vesmíru vážila více než miliardu slunečních hmot, navzdory jejímu průměrnému apetitu.

Při pohledu na raná stádia vesmíru, který je starý 13,8 miliardy let, Vesmírný dalekohled Jamese Webba Pozoroval galaxii tak, jak existovala před pouhými 700 miliony let velký výbuch. Je záhadné jak Černá díra Černé díry v jejím středu by již vážily miliardu slunečních hmot, když byl vesmír ještě v plenkách. Pozorování Jamese Webba byla navržena tak, aby se blíže podívala na mechanismus podávání, ale nenašel nic neobvyklého. Je zřejmé, že černé díry již rostly podobným způsobem jako dnes. Zjištění je však ještě důležitější: Ukazuje, že astronomové vědí o vzniku galaxií méně, než si mysleli. Měření však v žádném případě nezklame. Naopak.

Záhada raných černých děr

První miliarda let historie vesmíru představuje velkou výzvu: nejstarší známé černé díry v centrech galaxií měly překvapivě masivní hmotnosti. Jak se to stalo tak rychle? Zde popsaná nová pozorování poskytují silný důkaz proti některým navrhovaným vysvětlením, zejména proti „ultra-účinnému režimu výživy“ prvních černých děr.

Omezení růstu supermasivních černých děr

Hvězdy a galaxie se za posledních 13,8 miliard let, což je věk vesmíru, dramaticky změnily. Galaxie se zvětšily a získaly více hmoty, buď spotřebováním plynu, který je obklopuje, nebo (někdy) vzájemným splynutím. Astronomové dlouho předpokládali, že masivní černé díry v centrech galaxií budou postupně růst vedle samotných galaxií.

READ  Jak se šíří záhadná psí nemoc, majitelé psů z Long Island zůstávají ostražití

Ale růst černých děr nemůže být libovolně rychlý. Materiál dopadající na černou díru tvoří 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. Ale tato jasnost omezuje množství hmoty, která může dopadnout na černou díru: světlo vyvíjí tlak, který může zabránit pádu další hmoty.

Jak se černé díry tak rychle staly tak masivními?

Proto byli astronomové překvapeni, když pozorování vzdálených kvasarů za posledních 20 let odhalilo nově vzniklé černé díry, přesto jejich hmotnost dosáhla deseti miliard hmotnosti Slunce. Světlu trvá dlouho, než se k nám dostane od vzdáleného objektu, takže dívat se na vzdálené objekty znamená dívat se do vzdálené minulosti. Vidíme nejvzdálenější známé kvasary tak, jak existovaly v době známé jako „úsvit vesmíru“, méně než miliardu let po velkém třesku, kdy se zformovaly první hvězdy a galaxie.

Vysvětlení těchto raných masivních černých děr představuje velkou 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 vedl 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, která vysvětlení jsou správná – pokud vůbec nějaká – vyžaduje úplnější obraz kvasarů, než byl dříve k dispozici. S příchodem vesmírného teleskopu Jamese Webba a konkrétně středního infračerveného přístroje MIRI zaznamenala schopnost astronomů studovat vzdálené kvasary obrovský skok. Při měření spekter vzdálených kvasarů je MIRI asi 4000krát citlivější než jakékoli předchozí zařízení.

READ  Centrum pro kontrolu a prevenci nemocí chce změnit „zastaralá“ pravidla, která brání agentuře v boji proti Covidu, dětské obrně a dalším nemocem.

Nástroje jako MIRI vyrábí mezinárodní konsorcia, kde vědci, inženýři a technici úzce spolupracují. Konsorcium má přirozeně velký zájem o testování, zda jejich nástroj funguje podle plánu. Výměnou za vytvoření nástroje je konsorciu obvykle poskytnuta určitá doba sledování. V roce 2019, roky před spuštěním JWST, se evropské konsorcium MIRI rozhodlo využít nějaký ten čas k pozorování tehdy nejvzdálenějšího známého kvasaru, objektu nazvaného J1120+0641.

Pozorování jedné z nejstarších černých děr

Pozorování analyzovala Dr. Sarah Bosmanová, postdoktorandka z Institutu Maxe Plancka pro astronomii a členka evropského konsorcia MIRI. Příspěvky MPIA k zařízení MIRI zahrnují vybudování řady klíčových vnitřních částí. Boseman byl požádán, aby se připojil ke spolupráci MIRI, konkrétně proto, aby poskytl odborné znalosti o tom, jak nejlépe využít přístroj ke studiu raného vesmíru, zejména prvních supermasivních černých děr.

Pozorování byla provedena v lednu 2023, během prvního cyklu pozorování teleskopem 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: rozkladu světla předmětu na složky různých vlnových délek, podobně jako u duhy.

Sledujte rychle se pohybující prach a plyn

Obecný tvar středního infračerveného („spojitého“) spektra kóduje charakteristiky velkého prstence prachu obklopujícího akreční disk v typických kvasarech. Tento prstenec pomáhá nasměrovat hmotu do akrečního disku a „krmit“ černou díru. Špatná zpráva pro ty, kteří dávají přednost řešení problému raných masivních černých děr, spočívá v alternativních metodách rychlého růstu: prstenec, a tím i mechanismus napájení v tomto velmi raném kvasaru, se zdá být stejný jako u jeho modernějších protějšků. Jediný rozdíl je v něčem, co žádný model rychlého růstu časného kvasaru nepředpovídal: teplota prachu je o něco vyšší, asi o sto Kelvinů teplejší než 1300 Kelvinů nalezených v teplejším prachu v méně vzdálených kvasarech.

READ  Výzkum NASA v hluboké venušské atmosféře vzácných plynů, chemie a zobrazování

Část spektra s kratší vlnovou délkou, které dominují emise ze samotného akrečního disku, nám vzdáleným pozorovatelům ukazuje, že světlo kvasaru není tlumeno větším množstvím prachu než obvykle. Argumenty, že bychom mohli přeceňovat ranou hmotu černé díry kvůli extra prachu, také nejsou odpovědí.

Rané kvasary „šokující normální“

Oblast s obrysy kvasaru, kde shluky plynu obíhají kolem černé díry rychlostí blížící se rychlosti světla – což umožňuje usuzovat na hmotnost černé díry a hustotu a ionizaci okolní hmoty – se také jeví jako normální. Podle téměř všech charakteristik, které lze ze spektra odvodit, se J1120+0641 neliší od kvasarů pozdějších dob.

„Celkově nová pozorování přidávají záhadu: rané kvasary byly šokujícím způsobem normální. Bez ohledu na to, na jakých vlnových délkách je pozorujeme, kvasary jsou téměř identické ve všech epochách vesmíru,“ říká Bosman. Nejen samotné supermasivní černé díry, ale i jejich krmné mechanismy byly plně „vyzrálé“, když byl vesmír pouhých 5 % svého současného stáří. Vyloučením řady alternativních řešení výsledky silně podporují myšlenku, že supermasivní černé díry začínaly s velkými hmotnostmi od počátku, v astronomické terminologii: „prapůvodní“ nebo „masivní“. 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, možná kolapsem masivních raných mračen plynu.

Odkaz: „Zralý kvasar na úsvitu vesmíru detekovaný infračervenou spektroskopií stacionárního rámce JWST“ od Sarah E. I. Bosman, Javier Álvarez Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso Herrero, Martin J. Ward, Goran Östlin, Thomas R. Greif, Gillian Wright, Arjan Beck, Leandert Bogarde, Karina Capote, Luca Constantin, Andreas Eckart, Macarena Garcia Marin, Stephen Gelmann, Jens Hjorth, Edoardo Ianni, Olivier Ilbert, Iris German, Alvaro Labiano, Daniel Langerudi, Florian Biesker, Pierluigi Rinal , Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Godel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom B. Ray, Ewen F. Van Deschock a Bart Vandenbosche, 17. června 2024, Přírodní astronomie.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0

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 *