Dzięki znacznie ulepszonym możliwościom dzisiejszych teleskopów astronomowie badają głębiej kosmos i cofają się w czasie. Czyniąc to, byli w stanie rozwiązać kilka od dawna tajemnic dotyczących ewolucji Wszechświata od Wielkiego Wybuchu. Jedną z tych tajemnic jest to, w jaki sposób supermasywne czarne dziury (SMBH), które odgrywają kluczową rolę w ewolucji galaktyk, powstających we wczesnym Wszechświecie.
Korzystając z bardzo dużego teleskopu ESO (VLT) w Chile, międzynarodowy zespół astronomów obserwował galaktyki, które pojawiły się około 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu (około 12,5 miliarda lat temu). Nieoczekiwanie zaobserwowali duże zbiorniki chłodnego wodoru, które mogłyby zapewnić wystarczające „źródło pożywienia” dla SMBH. Wyniki te mogą wyjaśnić, jak SMBH rozwijały się tak szybko w okresie znanym jako Kosmiczny Świt.
Zespołem kierował dr Emanuele Paolo Farina z Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) i Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). Dołączyli do niego naukowcy z MPIA i MPA, Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri Astrophysical Observatory, Astrophysics and Space Science Observatory w Bolonii oraz Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPEP).
Przez dziesięciolecia astronomowie badali SMBH, które istnieją w centrum większości galaktyk i są identyfikowane przez ich aktywne jądra galaktyczne (AGN). Jądra te, znane również jako kwazary, mogą emitować więcej energii i światła niż reszta gwiazd w galaktyce łącznie. Do tej pory najbardziej odległym jest ULAS J1342 + 0928, który znajduje się 13,1 miliarda lat świetlnych stąd.
Biorąc pod uwagę, że pierwsze gwiazdy powstały zaledwie 100 000 lat po Wielkim Wybuchu (około 13,8 miliarda lat temu), oznacza to, że SMBH musiały powstać szybko od pierwszych gwiazd, aby umrzeć. Jednak do tej pory astronomowie nie znaleźli pyłu i gazu w wystarczająco dużych ilościach podczas wczesnego Wszechświata, aby wyjaśnić ten szybki wzrost.
Ponadto wcześniejsze obserwacje przeprowadzone z użyciem dużej matrycy milimetrowej / submilimetrowej Atacama (ALMA) wykazały, że wczesne galaktyki zawierały dużo pyłu i gazu, które napędzały szybkie powstawanie gwiazd. Odkrycia te wskazują, że nie pozostało wiele materiału do zasilenia czarnych dziur, co tylko pogłębiło tajemnicę tego, jak szybko rosły.
Aby temu zaradzić, Farina i jego koledzy oparli się na danych zgromadzonych przez instrument VUSE Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), aby zbadać 31 kwazarów w odległości około 12,5 miliarda lat świetlnych (obserwując w ten sposób, jak wyglądali 12,5 miliarda lat temu). To sprawia, że ich badanie jest jedną z największych próbek kwazarów z tego wczesnego okresu Wszechświata. Znaleźli 12 rozciągniętych i zaskakująco gęstych chmur wodoru.
Te chmury wodoru zostały zidentyfikowane przez ich charakterystyczny blask w świetle UV. Biorąc pod uwagę odległość i efekt przesunięcia ku czerwieni (gdzie długość fali światła jest rozciągana z powodu ekspansji kosmicznej), ziemskie teleskopy postrzegają blask jako światło czerwone. Jak wyjaśniła Farina w komunikacie prasowym MPIA:
“Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem świecącego gazu jest mechanizm fluorescencji. Wodór przekształca bogate w energię promieniowanie kwazara w światło o określonej długości fali, co jest zauważalne przez migotanie.”
Chmury chłodnego, gęstego wodoru - które były kilka miliardów masy Słońca - tworzyły aureole wokół wczesnych galaktyk, które rozciągały się na 100 000 lat świetlnych od centralnych czarnych dziur. Zwykle wykrywanie takich chmur wokół kwazarów (które są bardzo jasne) jest raczej trudne. Ale dzięki wrażliwości instrumentu MUSE - który Farina określiła jako „zmieniacz gry” - zespół znalazł je dość szybko.
Jak powiedziała Alyssa Drake, badaczka z MPIA, która również przyczyniła się do badania:
“Dzięki obecnym badaniom dopiero zaczynamy badać, w jaki sposób pierwsze supermasywne czarne dziury mogły się tak szybko rozwinąć. Ale nowe instrumenty, takie jak MUSE i przyszły Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, pomagają nam rozwiązać te ekscytujące zagadki.”
Zespół odkrył, że te aureole gazowe były ściśle związane z galaktykami, zapewniając idealne „źródło pożywienia” do utrzymania zarówno szybkiego tworzenia gwiazd, jak i wzrostu supermasywnych czarnych dziur. Obserwacje te skutecznie rozwiązują zagadkę, jak supermasywne czarne dziury mogły istnieć tak wcześnie w historii Wszechświata. Jak podsumowuje Farina:
“Po raz pierwszy jesteśmy w stanie wykazać, że pierwotne galaktyki mają wystarczająco dużo pożywienia w swoich środowiskach, aby utrzymać zarówno wzrost supermasywnych czarnych dziur, jak i energiczne tworzenie się gwiazd. To dodaje fundamentalny element układanki, którą budują astronomowie, aby zobrazować, jak struktury kosmiczne powstały ponad 12 miliardów lat temu.”
W przyszłości astronomowie będą mieli jeszcze bardziej wyrafinowane instrumenty do badania galaktyk i SMBH we wczesnym Wszechświecie, które powinny ujawnić jeszcze więcej szczegółów na temat starożytnych chmur gazowych. Obejmuje to niezwykle duży teleskop ESO (ELT), a także teleskopy kosmiczne, takie jak James Webb Space Telescope (JWST).
Badanie opisujące odkrycia zespołu pojawiło się w numerze z 20 grudnia The Astrophysical Journal.
