W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci astronomowie byli w stanie spojrzeć dalej we Wszechświat (a także cofnąć się w czasie), prawie do samych początków Wszechświata. Czyniąc to, nauczyli się wiele o niektórych z najwcześniejszych galaktyk we Wszechświecie i ich późniejszej ewolucji. Jednak wciąż istnieją pewne rzeczy, które wciąż są niedostępne, na przykład kiedy pojawiły się galaktyki z supermasywnymi czarnymi dziurami (SMBH) i masywnymi dżetami.
Według ostatnich badań przeprowadzonych przez International School for Advanced Studies (SISSA) i zespół astronomów z Japonii i Tajwanu dostarczają nowych informacji na temat powstawania supermasywnych czarnych dziur zaledwie 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu oraz relatywistycznych dżetów krótszych niż 2 miliardy lat po. Wyniki te są częścią rosnącej liczby przypadków, które pokazują, w jaki sposób masywne obiekty w naszym Wszechświecie powstały wcześniej, niż nam się wydawało.
Astronomowie wiedzą o SMBH od ponad pół wieku. Z czasem zdali sobie sprawę, że większość masywnych galaktyk (w tym Droga Mleczna) ma je w swoich rdzeniach. Rola, jaką odgrywają w ewolucji galaktyk, była również przedmiotem badań, a współcześni astronomowie stwierdzili, że są one bezpośrednio związane z szybkością formowania się gwiazd w galaktykach.
Podobnie astronomowie odkryli, że SMBH mają wokół siebie dyski akrecyjne, w których gaz i pył są przyspieszane do prędkości światła. To powoduje, że centrum niektórych galaktyk staje się tak jasne - tak zwane aktywne jądra galaktyczne (AGN) - że przyćmią gwiazdy na swoich dyskach. W niektórych przypadkach dyski akrecyjne prowadzą również do strumieni gorącego materiału, które można zobaczyć z odległości miliardów lat świetlnych.
Według konwencjonalnych modeli galaktyki nie miały wystarczająco dużo czasu, aby rozwinąć centralne czarne dziury, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat (około 13 miliardów lat temu). Jednak ostatnie obserwacje wykazały, że czarne dziury formowały się już wówczas w centrum galaktyk. Aby rozwiązać ten problem, zespół naukowców z SISSA zaproponował nowy model, który oferuje możliwe wyjaśnienie.
Za badanie, które poprowadził dr Lumen Boco - doktorant student z Institute for Fundamental Physics of the Universe (IFPU) - zespół rozpoczął od dobrze znanego faktu, że SMBH rosną w centralnych regionach wczesnych galaktyk. Obiekty te, dzisiejsze prekursory galaktyk eliptycznych, miały bardzo wysokie stężenie gazu i niezwykle intensywne tempo powstawania nowych gwiazd.
Pierwsze generacje gwiazd w tych galaktykach były krótkotrwałe i szybko ewoluowały w czarne dziury, które były stosunkowo małe, ale znaczące pod względem liczby. Otaczający ich gęsty gaz doprowadził do znacznego tarcia dynamicznego i spowodował, że szybko migrowali do centrum galaktyki. To tutaj połączyli się, tworząc ziarna supermasywnych czarnych dziur - które powoli rosły z czasem.
Jak wyjaśnił zespół badawczy w ostatnim komunikacie prasowym SISS:
„Zgodnie z klasycznymi teoriami supermasywna czarna dziura rośnie w centrum galaktyki, wychwytując otaczającą materię, głównie gaz,„ rosnąc ”na sobie i ostatecznie pożerając ją w rytmie proporcjonalnym do jej masy. Z tego powodu, gdy początkowe fazy jego rozwoju, gdy masa czarnej dziury jest niewielka, wzrost jest bardzo powolny. Do tego stopnia, że zgodnie z obliczeniami, aby osiągnąć obserwowaną masę, miliardy razy większą niż Słońce, potrzebny byłby bardzo długi czas, nawet dłuższy niż wiek młodego Wszechświata. ”
Jednak opracowany przez nich oryginalny model matematyczny wykazał, że proces formowania się centralnych czarnych dziur może być bardzo szybki w początkowej fazie. To nie tylko wyjaśnia istnienie nasion SMBH we wczesnym Wszechświecie, ale także godzi czas ich wzrostu ze znaną erą Wszechświata.
Krótko mówiąc, ich badanie wykazało, że proces migracji i fuzji wczesnych czarnych dziur może doprowadzić do powstania ziarna SMBH o masie od 10 000 do 100 000 mas Słońca w ciągu zaledwie 50-100 milionów lat. Jak wyjaśnił zespół:
„Wzrost centralnej czarnej dziury zgodnie z wyżej wspomnianą bezpośrednią akrecją gazu, przewidziany w standardowej teorii, stanie się bardzo szybki, ponieważ ilość gazu, którą uda mu się przyciągnąć i wchłonąć, stanie się ogromna i będzie dominować na proces, który proponujemy. Niemniej jednak fakt, że rozpoczęcie od tak dużego ziarna, jak przewiduje nasz mechanizm, przyspiesza globalny wzrost supermasywnej czarnej dziury i pozwala na jej powstanie, również w Młodym Wszechświecie. Krótko mówiąc, w świetle tej teorii możemy stwierdzić, że 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu supermasywne czarne dziury mogły już zaludnić Kosmos. ”
Oprócz zaproponowania modelu roboczego dla obserwowanych nasion SMBH, zespół zaproponował również metodę jego przetestowania. Z jednej strony istnieją fale grawitacyjne, które wywołałyby te połączenia, które można zidentyfikować za pomocą detektorów fal grawitacyjnych, takich jak Advanced LIGO / Virgo i charakteryzujących się przyszłym teleskopem Einsteina.
Ponadto kolejne fazy rozwoju SMBH mogą być badane przez misje, takie jak kosmiczna antena laserowa interferometru ESA (LISA), która ma wystartować około 2034 r. W podobny sposób inny zespół astronomów niedawno użył Atacama Duża tablica milimetrowa / submilimetrowa (ALMA), aby rozwiązać kolejną zagadkę dotyczącą galaktyk, dlatego niektóre mają odrzutowce, a inne nie.
Te szybko poruszające się strumienie zjonizowanej materii, które poruszają się z prędkościami relatywistycznymi (ułamek prędkości światła), zaobserwowano emanując ze środka niektórych galaktyk. Odrzutowce te są powiązane z tempem formowania się gwiazd przez galaktykę ze względu na sposób, w jaki wypychają materię, która w przeciwnym razie zapadłaby się tworząc nowe gwiazdy. Innymi słowy, dżety te odgrywają rolę w ewolucji galaktyk, podobnie jak SMBH.
Z tego powodu astronomowie próbowali dowiedzieć się więcej o tym, jak dżety czarnych dziur i chmury gazowe oddziaływały w czasie. Niestety we wczesnym wszechświecie trudno było zaobserwować tego rodzaju interakcje. Korzystając z macierzy Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), zespołowi astronomów udało się uzyskać pierwszy rozdzielczość obrazu zaburzonych chmur gazowych pochodzących z bardzo odległego kwazara.
Badanie, które opisuje ich odkrycia, prowadzone przez prof. Kaiki Taro Inoue z Kindai University, niedawno pojawiło się w Astrophysical Journal Letters. Jak wyjaśnił Inoue i jego koledzy, dane ALMA ujawniły młode odrzutowce dwubiegunowe emanujące z MG J0414 + 0534, kwazara znajdującego się około 11 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Odkrycia te pokazują, że galaktyki z SMBH i dżetami istniały, gdy Wielki Wybuch miał mniej niż 3 miliardy lat.
Oprócz ALMA zespół polegał na technice znanej jako soczewkowanie grawitacyjne, w której grawitacja galaktyki pośredniej powiększa światło pochodzące z odległego obiektu. Dzięki „kosmicznemu teleskopowi” i wysokiej rozdzielczości ALMA zespół był w stanie obserwować zakłócone chmury gazowe wokół MG J0414 + 0534 i stwierdzić, że były one spowodowane przez młode dżety emanujące z SMBH w centrum galaktyki.
Jak Kouichiro Nakanishi, profesor nadzwyczajny w National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI, wyjaśnił w komunikacie prasowym ALMA:
„Łącząc ten kosmiczny teleskop i obserwacje w wysokiej rozdzielczości ALMA, uzyskaliśmy wyjątkowo ostre widzenie, czyli 9 000 razy lepsze niż wzrok ludzki. Dzięki tej niezwykle wysokiej rozdzielczości byliśmy w stanie uzyskać rozkład i ruch chmur gazowych wokół strumieni wyrzucanych z supermasywnej czarnej dziury. ”
Obserwacje te wykazały również, że gaz uderzył w kierunku, w którym podążał w kierunku strumieni, powodując gwałtowny ruch cząstek i przyspieszenie do prędkości do 600 km / s (370 m / s). Co więcej, wpłynęły one na chmury gazowe, a same dżety były znacznie mniejsze niż rozmiar typowej galaktyki w tym wieku.
Na podstawie tego zespół stwierdził, że byli świadkami bardzo wczesnej fazy ewolucji odrzutowców w galaktyce MG J0414 + 0534. Jeśli to prawda, obserwacje te pozwoliły zespołowi obserwować kluczowy proces ewolucyjny w galaktykach we wczesnym Wszechświecie. Jak podsumowała Inoue:
„MG J0414 + 0534 jest doskonałym przykładem ze względu na młodość odrzutowców. Znaleźliśmy wyraźne dowody znaczącej interakcji między dżetami i chmurami gazowymi nawet w bardzo wczesnej fazie ewolucji dżetów. Myślę, że nasze odkrycie utoruje drogę do lepszego zrozumienia ewolucyjnego procesu galaktyk we wczesnym Wszechświecie. ”
Razem badania te pokazują, że dwa z najpotężniejszych zjawisk astronomicznych we Wszechświecie pojawiły się wcześniej niż oczekiwano. Odkrycie to daje także astronomom możliwość zbadania, jak te zjawiska ewoluowały w czasie oraz roli, jaką odegrały w ewolucji Wszechświata.
