Kwazary z początków Wszechświata mogły zatrzymywać narodziny gwiazd, wpływając na ewolucję galaktyk

Astronomowie odkryli, że kwazary we wczesnym Wszechświecie mogły zatrzymywać proces powstawania gwiazd. Potężne wiatry generowane przez te obiekty mogły odgrywać kluczową rolę w ewolucji najstarszych galaktyk.

Wpływ kwazarów na galaktyki

Jak wskazują astronomowie, supermasywne czarne dziury zamieszkują centra masywnych galaktyk, w tym również Drogi Mlecznej. Zagadką dla badaczy pozostaje fakt, że obiekty o masie przekraczającej miliard mas Słońca wydają się istnieć już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat miał mniej niż 5 proc. swojego obecnego wieku. Gdy międzygwiazdowy gaz spiralnie opada w kierunku takich czarnych dziur, osiąga ekstremalne prędkości, nagrzewa się i emituje intensywne promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym, tworząc obiekt nazywany „kwazarem”.

Teoretyczne modele ewolucji wczesnych galaktyk dotychczas przewidywały, że energia emitowana przez kwazary powinna wystarczyć do wyrzucania ogromnych ilości międzygwiazdowego gazu z galaktyk macierzystych z olbrzymimi prędkościami, przekraczającymi kilka tysięcy kilometrów na sekundę. Te „wiatry galaktyczne” – ogromne strumienie gazu wyrzucane z galaktyk – naukowcy uważali za zjawisko, które w znaczący sposób wpływa na ewolucję ich struktur macierzystych. Tym, co jednak zadziwiło astronomów, było to, że wykryto je w kwazarach pochodzących z początków kosmosu.

Wiatry galaktyczne zatrzymujące powstawanie gwiazd

W ramach nowego badania naukowcy z Newcastle University i University of Arizona, wykorzystując obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, odkryli wyraźne ślady wiatrów galaktycznych w próbce kwazarów z pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata. Zdaniem astronomów wydaje się również, że tego rodzaju zjawiska były bardziej powszechne, a ich prędkości porównywalne lub nawet większe niż w przypadku kwazarów rozświetlających kosmos w późniejszych epokach. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Nature”.

„Od dawna przewidywaliśmy, że wczesne kwazary mogły generować potężne wiatry obejmujące całe galaktyki macierzyste. To niesamowite, że widzimy teraz wyraźne dowody na to, że takie wypływy były powszechne – a nawet bardziej ekstremalne – we wczesnym Wszechświecie. Wyzwaniem teraz będzie zrozumienie, dlaczego oraz jaką rolę odgrywały w kształtowaniu tych masywnych galaktyk i ich otoczenia” – mówi Tiago Costa z Newcastle University.

Wygaszanie młodych galaktyk

Badanie, zdaniem astronomów, może pomóc wyjaśnić inną kosmologiczną zagadkę – przy bardzo wysokich „przesunięciach ku czerwieni”, w ciągu około dwóch miliardów lat po Wielkim Wybuchu, naukowcy odkryli zaskakująco dużą liczbę młodych galaktyk, które bardzo wcześnie przestały tworzyć gwiazdy.

„Wiele z tych galaktyk wygląda na stare w tym sensie, że przestały tworzyć gwiazdy znacznie wcześniej, niż można by się spodziewać. Jak mogły powstać tak wcześnie i stać się tak masywne, skoro tak szybko zakończyły proces formowania gwiazd? To zaskakujące odkrycie podważyło nasz obecny paradygmat ewolucji galaktyk i było jedną z głównych motywacji stojących za naszym badaniem” – twierdzi Weizhe Liu z University of Arizona.

Jak wskazują naukowcy, prawdopodobnymi sprawcami tego procesu, znanego jako „wygaszanie” („quenching”), mogą być potężne wiatry generowane przez kwazary, które obecnie zostały zaobserwowane przez Teleskop Webba. Symulacje przeprowadzone w ramach nowego badania sugerują, że kwazary swoim oddziaływaniem pozbawiają galaktyki zapasów gazu, uniemożliwiając dalsze formowanie gwiazd.

Kwazary z pierwszego miliarda lat Wszechświata

Badacze przeczesywali Wszechświat o wysokim przesunięciu ku czerwieni, w poszukiwaniu kwazarów, dzięki czemu udało im się odkryć 27 takich obiektów z okresu około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Sześć z nich wyróżniało się wyjątkowo szybkimi wiatrami obejmującymi skalę całej galaktyki, osiągającymi do 8,4 tys. km/s, co zdaniem astronomów jest ekstremalnie wysoką wartością nawet dla kwazarów. Badanie sugeruje, że kwazary z wyjątkowo szybkimi wyrzutami były co najmniej cztery razy częstsze przy wyższych przesunięciach ku czerwieni (czyli bliżej Wielkiego Wybuchu) niż w przypadku późniejszych, a średnia energia kinetyczna ich wiatrów była około 100 razy wyższa niż u młodszych obiektów tego typu.

„Kwazary z ekstremalnymi wyrzutami były znacznie częstsze we wczesnym Wszechświecie i z czasem stawały się coraz rzadsze, co jest zaskakujące” – podkreśla Xiaohui Fan z University of Arizona.

Zdaniem naukowców takie „superkwazary” mogą pomóc wyjaśnić dużą liczbę galaktyk, które we wczesnym Wszechświecie przedwcześnie zakończyły proces tworzenia gwiazd. Chociaż niektóre z tego typu obiektów posiadają wyraźne dżety cząstek, zwykle wyrzucane w przeciwnych kierunkach, naukowcy od dawna wiedzą, że to nie strugi usuwają gaz z galaktyk.

„Te dżety poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. W praktyce przebijają jedynie wąski tunel w galaktyce. Natomiast wypływy, o których tutaj mówimy, bardziej przypominają wiatry gwiazdowe i uważamy, że mogą być napędzane w wielu kierunkach przez ciśnienie promieniowania wynikające z ekstremalnie jasnego światła kwazara” – zaznacza Xiaohui Fan.

Badacze oszacowali również, że kwazary z ekstremalnymi wyrzutami są niezwykle krótkotrwałe – przechodzą w stan uśpienia w ciągu około 100 milionów lat, co w skali kosmicznej jest niezwykle krótkim czasem, pozostawiając po sobie spokojną galaktykę. Astronomowie wskazują, że każdego roku galaktyka z takim kwazarem w centrum traci ilość gazu odpowiadającą tysiącom mas Słońca.

Wpływ na ewolucję galaktyk

Wyniki sugerują, że potężne wiatry napędzane przez kwazary mogły odgrywać kluczową rolę w zatrzymywaniu procesu tworzenia gwiazd w niektórych z najwcześniejszych masywnych galaktyk Wszechświata, wpływając na ich ewolucję w całej historii kosmosu.

Emil Gołoś