Dlaczego pierwsze czarne dziury były tak duże? Astronomowie mają nową odpowiedź

Pierwsze czarne dziury odkryte dzięki obserwacjom wykonanym przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba okazały się znacznie większe, niż przewidywały dotychczasowe modele ewolucji Wszechświata. Według nowego badania ich niezwykłe rozmiary mogły być naturalnym efektem procesów zachodzących podczas formowania się pierwszych galaktyk we wczesnym kosmosie.

Dlaczego pierwsze czarne dziury były większe, niż powinny?

Jednym z najbardziej zagadkowych odkryć wynikających z obserwacji wczesnego Wszechświata przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest rozmiar czarnych dziur. Jak wskazują astronomowie, te pierwotne obiekty były znacznie masywniejsze, niż zakładano. W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Muhammada Latifa z United Arab Emirates University wskazali możliwe rozwiązanie tłumaczące, dlaczego te czarne dziury były tak duże. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Kiedy astronomowie twierdzą, że wczesne czarne dziury były bardziej masywne, niż „powinny” być, odnoszą się do stosunku masy tych obiektów do masy gwiazdowej ich galaktyki gospodarza. We współczesnym, lokalnym Wszechświecie stosunek ten jest wyjątkowo stały. Supermasywne czarne dziury mają zazwyczaj od około 0,1 do 0,5 proc. masy gwiazdowej galaktyk, w których się znajdują – dotyczy to szczególnie galaktyk eliptycznych i zdominowanych przez centralną poprzeczkę, rzadziej galaktyk dyskowych, takich jak Droga Mleczna.

Kosmiczny Teleskop Webba odkrył coś niezwykłego

Jednak, jak wskazują badacze, we Wszechświecie o wysokim przesunięciu ku czerwieni sytuacja wygląda inaczej. Gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba uchwycił galaktyki z pierwszego miliarda lub dwóch miliardów lat istnienia kosmosu, naukowcy odkryli, że supermasywne czarne dziury były znacznie masywniejsze w stosunku do swoich galaktyk macierzystych. Często stanowiły od 10 do 30 proc. masy swoich gospodarzy, a w niektórych skrajnych przypadkach przewyższały całkowitą masę gwiazdową galaktyk, w których je odnajdywano.

Tego rodzaju struktury zostały nazwane przez astronomów galaktykami z nadmasywnymi czarnymi dziurami (overmassive black hole galaxies – OBG). Wcześniejsze modele pokazywały, że supermasywne czarne dziury i ich galaktyki współewoluowały oraz rosły razem w mniej więcej zsynchronizowanym tempie. Jednak nowe obserwacje nie potwierdziły tych założeń.

Jak mogły powstać pierwsze czarne dziury?

W ramach nowego badania naukowcy wskazują, że czarne dziury w OBG powstały w wyniku bezpośredniego zapadania się dużej ilości materiału (direct-collapse black holes – DCBH).

Zdaniem astronomów galaktyki z nadmasywnymi czarnymi dziurami były wynikiem powstawania DCBH w pierwotnych halo we wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Halo składają się z ciemnej materii i są zazwyczaj opisywane jako szkielet, na którym powstają galaktyki – stanowią one grawitacyjny kręgosłup Wszechświata. Pierwotne halo ciemnej materii były pierwszą generacją tego rodzaju struktur.

Obiekty DCBH to czarne dziury powstałe w wyniku bezpośredniego zapadania się dużej ilości materii – nie w wyniku zapadania się gwiazdy. Jak podkreślają naukowcy, ten rodzaj obiektów mógł powstać jedynie we wczesnym Wszechświecie, kiedy panowały w nim inne warunki. Direct-collapse black holes tworzyły zalążki czarnych dziur, które następnie rosły i/lub łączyły się, stając się supermasywnymi czarnymi dziurami.

W swoich analizach badacze wykorzystali symulacje, które wskazały, że w przeciwieństwie do niektórych innych wyjaśnień nie są one problematyczne z punktu widzenia fizyki i kosmologii.

Ewolucja wczesnych galaktyk

Astronomowie wskazują, że zrozumienie formowania się gwiazd w pierwotnych galaktykach było kluczowe dla zrozumienia istnienia tych masywnych czarnych dziur. W czasie symulacji prześledzili współewolucję DCBH i struktur, które zamieszkiwały, przez kilkaset milionów lat. Odkryli, że stosunek wielkości czarnych dziur do ich kosmicznych gospodarzy był naturalnym rezultatem początkowego tłumienia formowania gwiazd przez DCBH oraz późniejszego gwałtownego wyrzutu metali przez supernowe gwiazd III populacji.

Naukowcy wiedzą, że czarne dziury mogły tłumić formowanie gwiazd poprzez ogrzewanie i rozpraszanie chłodnego gazu, z którego one powstają. Astrofizycy wiedzą również, że gwiazdy III populacji – czyli pierwsza generacja gwiazd – były masywne, żyły krótko i wiele z nich eksplodowało jako niezwykle potężne supernowe. Te wybuchy oddziaływały wspólnie z czarnymi dziurami, hamując formowanie gwiazd i pomagając stworzyć nierównowagę między masą czarnych dziur a masą gwiazdową w tych wczesnych galaktykach.

„Biorąc pod uwagę, że liczba OBG odkrytych do tej pory jest zgodna z wcześniejszymi szacunkami, nasze symulacje sugerują, że obiekty te mogą być naturalną fazą ewolucji w większości galaktyk zawierających DCBH i wzmacniają argumenty za masywnymi zalążkami pierwszych supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie” – podsumowują naukowcy.

Emil Gołoś