Galaktyki czy supermasywne czarne dziury co powstało pierwsze?

Najnowsze obserwacje Teleskopu Kosmicznego Jamesa Webba wskazują, że supermasywna czarna dziura mogła powstać wcześniej niż jej galaktyka macierzysta. Obiekt QSO1, istniejący zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu, może pomóc w zrozumieniu, jak formują się tego typu obiekty oraz jak wyglądały początki kosmosu.

Czarna dziura przed galaktyką – przełomowa obserwacja JWST

W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Roberto Maiolino z University of Cambridge, korzystając z obserwacji zebranych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, odkryli, że jedna supermasywna czarna dziura we wczesnym Wszechświecie musiała powstać, zanim wokół niej rozwinęła się galaktyka. Analizy mogą pomóc lepiej zrozumieć pochodzenie tych ogromnych obiektów i to, jak wyglądały początki kosmosu.

Supermasywne czarne dziury najprawdopodobniej znajdują się w centrach większości galaktyk, w tym również w Drodze Mlecznej. Osiągając masy nawet miliardy razy większe od masy Słońca, od dawna stanowią zagadkę dla astronomów.

Jak powstają supermasywne czarne dziury

Według najnowszych modeli czarne dziury powstają z pozostałości po wybuchach supernowych, które najczęściej zachodzą, gdy masywne gwiazdy osiągają koniec swojego życia. Następnie mogą rosnąć, pochłaniając gaz z otaczających je dysków akrecyjnych, dzięki czemu mogą stać się supermasywne – jednak tempo ich wzrostu jest ograniczone przez tzw. limit Eddingtona. Po jej przekroczeniu ciśnienie promieniowania przewyższałoby grawitację, a materia zostałaby wyrzucona w przestrzeń kosmiczną.

Jednak, jak podkreślają naukowcy, supermasywne czarne dziury zostały zaobserwowane już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu – niezwykle wcześnie w skali kosmologicznej i zdecydowanie zbyt szybko, by mogły powstać zgodnie z ograniczeniami narzucanymi przez limit Eddingtona.

„Zaproponowano kilka alternatywnych scenariuszy. Małe zalążki czarnych dziur (seed black holes) mogły przechodzić krótkie fazy bardzo szybkiego wzrostu; czarne dziury o masie pośredniej mogły powstawać poprzez niekontrolowane zderzenia w gęstych układach gwiazd; albo czarne dziury mogły rodzić się już jako masywne – tak zwane ciężkie zalążki (heavy seeds). W tym trzecim scenariuszu supermasywne czarne dziury powstają albo poprzez bezpośrednie zapadanie się ogromnych obłoków materii – co było możliwe tylko w ekstremalnych warunkach bardzo wczesnego Wszechświata – albo z tzw. pierwotnych czarnych dziur (primordial black holes), niezwykle gęstych skupisk materii powstałych krótko po Wielkim Wybuchu, po raz pierwszy zaproponowanych przez Stephena Hawkinga” – mówi Roberto Maiolino z University of Cambridge.

QSO1 – niezwykły obiekt z początków Wszechświata

Aby zbadać te możliwości, astronomowie przeprowadzili szczegółową analizę obiektu QSO1 – supermasywnej czarnej dziury istniejącej, gdy Wszechświat miał około 700 milionów lat, widocznej dzięki światłu emitowanemu przez jej dysk akrecyjny. QSO1 należy do klasy tajemniczych obiektów, po raz pierwszy zaobserwowanych przez Teleskop Webba, znanych jako „Małe Czerwone Kropki” („Little Red Dots”), które według części astronomów mogą być pierwotnymi galaktykami zawierającymi młode supermasywne czarne dziury, choć nie wykazują one sygnatur promieniowania rentgenowskiego zwykle towarzyszących akrecji materii na te obiekty.

Badacze wybrali ten obiekt częściowo dlatego, że jest on soczewkowany grawitacyjnie przez znajdującą się na pierwszym planie gromadę galaktyk, która zakrzywia światło emitowane w kierunku Ziemi, wzmacniając je.

„Dzięki Teleskopowi Webba udało nam się rozdzielić strefę wpływu czarnej dziury, gdzie ruch gazu był zdominowany przez jej grawitację. Dzięki temu mogliśmy bezpośrednio zmierzyć jej masę” – twierdzi Roberto Maiolino.

Dane umożliwiły również precyzyjne pomiary emisji zjonizowanego wodoru i tlenu, ujawniając skład chemiczny gazu otaczającego czarną dziurę.

Gdy po Wielkim Wybuchu powstały pierwsze atomy, składały się wyłącznie z wodoru, helu oraz śladowych ilości litu. Cięższe pierwiastki mogły powstawać jedynie w procesach syntezy jądrowej wewnątrz gwiazd, wzbogacając otoczenie, gdy wybuchy supernowych rozpraszały je w przestrzeni.

„Stwierdziliśmy, że QSO1 znajduje się w środowisku o niezwykle niskim stopniu wzbogacenia chemicznego. W szczególności stosunek tlenu do wodoru jest mniejszy niż 1 proc. wartości mierzonej w Słońcu, co wskazuje na niemal pierwotny skład” – zaznacza Roberto Maiolino.

Jakie są konsekwencje tego dla zrozumienia wczesnego kosmosu?

Jak tłumaczą astronomowie, wyniki te sugerują, że w otoczeniu QSO1 powstało bardzo niewiele gwiazd – co oznacza, że czarna dziura była prawdopodobnie znacznie masywniejsza niż system wokół niej.

„Nasze ustalenia wskazują na scenariusz, w którym czarna dziura powstała przed większością swojej galaktyki macierzystej, zamiast rosnąć w już istniejącej, jak dotychczas zakładano” — podkreśla Roberto Maiolino.

Spośród rozważanych scenariuszy powstawania wynik ten najlepiej odpowiada koncepcji „ciężkiego zalążka”, w której czarne dziury rodzą się już bardzo masywne. Naukowcy mają nadzieję, że ich odkrycia pomogą w lepszym zrozumieniu, jak powstały pierwsze supermasywne czarne dziury i jak wyglądały początki Wszechświata.

Emil Gołoś