SUPERMASYWNE CZARNE DZIURY CZY ICH GALAKTYKI? KTóRY PRZYSZEDŁ PIERWSZY?

Send

W centrum niemal każdej galaktyki we Wszechświecie znajduje się supermasywna czarna dziura. Jak oni się tam dostali? Jaki jest związek między czarnymi dziurami potworów a otaczającymi je galaktykami?

Za każdym razem, gdy astronomowie patrzą dalej we Wszechświecie, odkrywają nowe tajemnice. Te tajemnice wymagają wszystkich nowych narzędzi i technik do zrozumienia. Te tajemnice prowadzą do kolejnych tajemnic. Mówię tylko, że to tajemnicze żółwie do samego końca.

Jednym z najbardziej fascynujących jest odkrycie kwazarów, zrozumienie, czym one są, i ujawnienie jeszcze głębszej tajemnicy, skąd one pochodzą?

Jak zawsze wyprzedzam siebie, więc najpierw wróćmy i porozmawiajmy o odkryciu kwazarów.

W latach 50. astronomowie skanowali niebo za pomocą radioteleskopów i znaleźli klasę dziwnych obiektów w odległym Wszechświecie. Były bardzo jasne i niewiarygodnie odległe; setki milionów, a nawet miliardów lat świetlnych stąd. Pierwsze z nich odkryto w spektrum radiowym, ale z biegiem czasu astronomowie odkryli jeszcze więcej płomienia w widmie widzialnym.

Astronom Hong-Yee Chiu ukuł termin „kwazar”, który oznaczał obiekt quasi-gwiezdny. Były jak gwiazdy świecące z jednego źródła punktowego, ale najwyraźniej nie były gwiazdami płonącymi więcej promieniowania niż cała galaktyka.

Przez dziesięciolecia astronomowie zastanawiali się nad naturą kwazarów, dowiadując się, że w rzeczywistości są to czarne dziury, aktywnie zasilające i emitujące promieniowanie, widoczne w odległości miliardów lat świetlnych.

Ale nie były to gwiezdne czarne dziury, o których wiadomo, że powstały po śmierci gigantycznych gwiazd. Były to supermasywne czarne dziury o masie Słońca, a nawet miliardów razy.

Już w latach 70. astronomowie zastanawiali się nad możliwością pojawienia się tych supermasywnych czarnych dziur w sercu wielu innych galaktyk, nawet Drogi Mlecznej.

W 1974 roku astronomowie odkryli źródło radiowe w centrum Drogi Mlecznej emitujące promieniowanie. Zatytułowany był Strzelec A *, z gwiazdką, która oznacza „ekscytujące”, no cóż, w perspektywie „podekscytowanych atomów”.

Odpowiadałoby to emisji supermasywnej czarnej dziury, która nie karmiła się aktywnie materiałem. Nasza własna galaktyka mogła być kwazarem w przeszłości lub w przyszłości, ale teraz czarna dziura była w większości cicha, z wyjątkiem tego subtelnego promieniowania.

Astronomowie musieli być pewni, dlatego przeprowadzili szczegółowe badanie samego centrum Drogi Mlecznej w widmie w podczerwieni, co pozwoliło im zobaczyć gaz i pył, które zasłaniają jądro w świetle widzialnym.

Odkryli grupę gwiazd krążących wokół gwiazdy A Strzelca, takich jak komety krążące wokół Słońca. Tylko czarna dziura o masie miliona razy większej od masy Słońca mogłaby stanowić rodzaj kotwicy grawitacyjnej do bicia tych gwiazd wokół tak dziwnych orbit.

Dalsze badania wykazały supermasywną czarną dziurę w sercu Galaktyki Andromedy, w rzeczywistości wygląda na to, że te potwory znajdują się w centrum niemal każdej galaktyki we Wszechświecie.

Ale jak powstały? Skąd oni przyszli? Czy galaktyka powstała najpierw i spowodowała powstanie czarnej dziury w środku, czy też czarna dziura utworzyła się i zbudowała wokół siebie galaktykę?

Do niedawna była to nadal jedna z wielkich nierozwiązanych tajemnic astronomii. To powiedziawszy, astronomowie przeprowadzili wiele badań, wykorzystując coraz bardziej wrażliwe obserwatoria, opracowali swoje teorie, a teraz zbierają dowody, aby pomóc dotrzeć do sedna tej tajemnicy.

Astronomowie opracowali dwa modele, w jaki sposób powstała struktura Wszechświata na dużą skalę: od góry do dołu i od dołu do góry.

W modelu z góry na dół cała galaktyczna supergromada utworzyła się naraz z ogromnej chmury pierwotnego wodoru pozostałej po Wielkim Wybuchu. Gwiazdy warte supergromady.

Gdy chmura się połączyła, zawirowała, wyrzucając mniejsze spirale i galaktyki karłowate. Mogłyby się później połączyć, tworząc bardziej złożoną strukturę, którą widzimy dzisiaj. Supermasywne czarne dziury uformowałyby się jako gęste jądra tych galaktyk, gdy się połączyły.

Jeśli chcesz się tym zająć, pomyśl o gwiezdnym żłobku, który uformował nasze Słońce i innych gwiazdach. Wyobraź sobie pojedynczą chmurę gazu i pyłu tworzącą w sobie wiele układów gwiazd. Z biegiem czasu gwiazdy dojrzewały i oddalały się od siebie.

To jest z góry na dół. Jedno wielkie wydarzenie, które prowadzi do struktury, którą widzimy dzisiaj.

W modelu oddolnym kieszenie gazu i pyłu gromadzą się razem w coraz większe masy, tworząc ostatecznie galaktyki karłowate, a nawet gromady i supergromady, które widzimy dzisiaj. Supermasywne czarne dziury w sercu galaktyk wyrosły z kolizji i połączeń czarnych dziur przez eony.

W rzeczywistości tak właśnie astronomowie myślą, że powstały planety w Układzie Słonecznym. Przez kawałki pyłu przyciągające się do coraz większych ziaren, aż obiekty wielkości planety uformują się przez miliony lat.

Od dołu do góry, małe części się łączą.

Krótko po Wielkim Wybuchu cały Wszechświat był niesamowicie gęsty. Ale nie wszędzie była taka sama gęstość. Małe kwantowe wahania gęstości na początku ewoluowały w ciągu miliardów lat ekspansji w galaktyczne supergromady, które widzimy dzisiaj.

Chcę się zatrzymać i pozwolić temu na chwilę zanurzyć się w twoim mózgu. We wczesnym wszechświecie występowały mikroskopijne zmiany gęstości. I te odmiany stały się strukturami, które widzimy dzisiaj przez setki milionów lat świetlnych.

Wyobraź sobie dwie siły w grze, gdy nastąpiła ekspansja Wszechświata. Z jednej strony mamy wzajemną grawitację cząstek przyciągających się do siebie. Z drugiej strony, masz ekspansję Wszechświata oddzielającego cząsteczki od siebie. O rozmiarach galaktyk, gromad i supergromad decydował punkt równowagi sił przeciwstawnych.

Gdyby małe kawałki połączyły się, wtedy uzyskałbyś tę formację oddolną. Gdyby duże kawałki połączyły się, uzyskałbyś tę formację z góry na dół.

Kiedy astronomowie spoglądają na Wszechświat w największych skalach, obserwują klastry i supergromady tak daleko, jak to możliwe - co obsługuje model zstępujący.

Z drugiej strony obserwacje pokazują, że pierwsze gwiazdy powstały zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, który wspiera oddolne podejście.

Więc odpowiedź jest obie?

Nie, najnowocześniejsze obserwacje dają przewagę procesom oddolnym.

Kluczem jest to, że grawitacja porusza się z prędkością światła, co oznacza, że oddziaływania grawitacyjne między cząstkami oddalającymi się od siebie muszą się dogonić, idąc z prędkością światła.

Innymi słowy, nie dostaniesz materiału o wartości supergromady, tylko materiał o wartości gwiazdy. Ale te pierwsze gwiazdy zostały zbudowane z czystego wodoru i helu i mogły urosnąć znacznie masywniej niż gwiazdy, które mamy dzisiaj. Żyliby szybko i ginęli w eksplozjach supernowych, tworząc znacznie większe masywne czarne dziury niż dzisiaj.

Zebrali się pierwsze protogalaksje, zbierając razem te pierwsze czarne dziury potworów i otaczające je masywne gwiazdy. A potem, przez miliony i miliardy lat, te czarne dziury zlewały się raz po raz, gromadząc miliony, a nawet miliardy razy masę Słońca. W ten sposób otrzymaliśmy współczesne galaktyki, które widzimy dzisiaj.

Niedawna obserwacja potwierdza ten wniosek. Na początku tego roku astronomowie ogłosili odkrycie supermasywnych czarnych dziur w centrum stosunkowo niewielkich galaktyk. W naszej własnej Drodze Mlecznej supermasywna czarna dziura ma masę 4,1 miliona razy większą niż Słońce, ale stanowi zaledwie 0,01% całkowitej masy galaktyki.

Ale astronomowie z University of Utah odkryli dwie ultrakompaktowe galaktyki z czarnymi dziurami odpowiednio 4,4 miliona i 5,8 miliona razy więcej niż masa Słońca. A jednak czarne dziury stanowią 13 i 18 procent masy ich galaktyk-gospodarzy.

Uważa się, że te galaktyki były kiedyś normalne, ale zderzyły się z innymi galaktykami wcześniej w historii Wszechświata, zostały pozbawione gwiazd, a następnie wypluł je, by wędrować po kosmosie.

Są ofiarami tych wczesnych fuzji, dowodem rzezi, która wydarzyła się we wczesnym Wszechświecie, kiedy fuzje miały miejsce.

Zawsze mówimy o nierozwiązanych tajemnicach we Wszechświecie, ale właśnie tę zagadkę zaczynają rozwiązywać astronomowie.

Wydaje się najbardziej prawdopodobne, że struktura Wszechświata, którą widzimy dzisiaj, uformowana jest oddolnie. Pierwsze gwiazdy złączyły się w protogalaksje, umierając jako supernowa, tworząc pierwsze czarne dziury. Struktura Wszechświata, którą widzimy dzisiaj, jest końcowym rezultatem miliardów lat formacji i zniszczenia. Z czasem supermasywne czarne dziury łączą się.

Kiedy teleskopy takie jak James Webb zabiorą się do pracy, powinniśmy być w stanie zobaczyć, jak te fragmenty łączą się na skraju obserwowalnego Wszechświata.