Folosind Telescopul spațial James Webb (JWST), astronomii au observat o gaură neagră supermasivă în „zorii cosmic” care pare a fi incredibil de masivă. Confuzia provine din faptul că nu pare că acest gol uriaș se sărbătorește cu multă materie din jur în acea perioadă – dar, pentru a ajunge la dimensiunea sa imensă, ne-am aștepta să fi fost râvnitor când a început timpul.
Hrănirea supermasivă gaură neagră, care alimentează un quasar din inima galaxiei J1120+0641, a fost văzut așa cum era atunci când universul avea doar aproximativ 5% din vârsta sa actuală. De asemenea, are o masă de peste un miliard de ori mai mare decât a soarelui.
Deși este relativ ușor de explicat cât de aproape și, prin urmare, mai recente, găurile negre supermasive au ajuns să aibă miliarde de mase solare, procesele de fuziune și alimentare care facilitează o astfel de creștere sunt de așteptat să dureze cam un miliard de ani. Asta înseamnă că găsirea unor astfel de găuri negre supermasive existente înainte ca universul vechi de 13,8 miliarde de ani să aibă un miliard de ani este o adevărată dilemă.
De când a început operațiunile în vara anului 2022, JWST s-a dovedit deosebit de eficient în identificarea unor astfel de găuri negre provocatoare în zorii cosmice.
O teorie în jurul creșterii timpurii a acestor goluri este că aceștia au fost implicați într-o frenezie de hrănire numită „mod de hrănire ultra-eficient”. Cu toate acestea, observațiile JWST ale găurii negre supermasive din J1120+0641 nu au arătat niciun mecanism de alimentare deosebit de eficient în materialul aflat în imediata apropiere a acestuia. Această constatare pune la îndoială hrănirea ultrarapidă mecanism de creștere a găurii negre supermasive și înseamnă că oamenii de știință ar putea ști chiar mai puțin despre evoluția timpurie a cosmosului decât și-au dat seama.
„În general, noile observații nu fac decât să sporească misterul: quasarii timpurii au fost șocant de normali”, șeful echipei și cercetătoare post-doctorală a Institutului Max Planck pentru Astronomie (MPIA), Sarah Bosman a spus într-o declarație. „Indiferent în ce lungimi de undă le observăm, quasarii sunt aproape identici în toate epocile universului.”
Găurile negre supermasive își controlează propriile diete
În ultimii 13,8 miliarde de ani de istorie cosmică, galaxiile au crescut în dimensiune prin dobândirea de masă fie prin absorbția gazelor și prafului din jur, fie prin canibalizarea galaxiilor mai micisau prin fuzionarea cu galaxii mai mari.
În urmă cu aproximativ 20 de ani, înainte de JWST iar alte telescoape au început să găsească găuri negre supermasive îngrijorătoare în universul timpuriu, astronomii au presupus că găurile negre supermasive din inimile galaxiilor au crescut treptat în paralel cu procesele care au condus la creștere galactică.
De fapt, există limite ale cât de repede se poate dezvolta o gaură neagră – limite pe care acești titani cosmici le ajută să se stabilească.
Din cauza conservării momentului unghiular, materia nu poate cădea direct într-o gaură neagră. În schimb, un nor aplatizat de materie numit an disc de acumulare se formează în jurul găurii negre. În plus, gravitația imensă a găurii negre centrale dă naștere la forțe puternice de maree care creează condiții turbulente în discul de acreție, încălzindu-l și făcându-l să emită lumină în spectrul electromagnetic. Aceste emisii sunt atât de strălucitoare încât adesea eclipsează lumina combinată a fiecărei stele din galaxia înconjurătoare. Se numesc regiunile în care se întâmplă toate acestea quasariși reprezintă unele dintre cele mai strălucitoare obiecte cerești.
Această luminozitate are și o altă funcție. În ciuda faptului că nu are masă, lumina exercită presiune. Asta înseamnă că lumina emisă de quasari împinge materia înconjurătoare. Cu cât gaura neagră care alimentează quasarul este mai rapidă, cu atât este mai mare presiunea radiației și este mai probabil ca gaura neagră să-și întrerupă propria aprovizionare cu hrană și să înceteze să crească. Punctul în care găurile negre, sau orice alt acretor, se înfometează împingând materia înconjurătoare este cunoscut sub numele de “Limita Eddington.”
Asta înseamnă că găurile negre supermasive nu pot doar să se hrănească și să crească cât de repede doresc. Astfel, găsirea unor găuri negre supermasive cu mase de până la 10 miliarde de sori în cosmosul timpuriu, în special la mai puțin de un miliard de ani după Big Bang, este o problemă reală.
Astronomii trebuie să știe mai multe despre quasarii timpurii pentru a determina dacă găurile negre supermasive timpurii au fost capabile să depășească limita Eddington și să devină așa-numiții „acretori super-Eddington”.
Pentru a face acest lucru, în ianuarie 2023, echipa sa concentrat pe JWST Instrument cu infraroșu mediu (MIRI) pe quasarul din inima lui J1120+0641, situat la 13 miliarde de ani lumină distanță și văzut așa cum a fost la doar 770 de milioane de ani după Big Bang. Investigația constituie primul studiu în infraroșu mijlociu al unui quasar care a existat în zorii cosmici.
Spectrul luminii de aici gaura neagră supermasivă timpurie a dezvăluit proprietățile „torului” mare, în formă de inel, de gaz și praf, care înconjoară discul de acreție. Acest torus ajută la ghidarea materiei către discul de acreție, de unde este alimentată treptat către gaura neagră supermasivă.
Observațiile MIRI ale acestui quasar au arătat că lanțul de aprovizionare cosmic funcționează similar cu cel al quasarelor „moderne” mai aproape de Pământ, care, prin urmare, există în epocile ulterioare ale universului. Aceasta este o veste proastă pentru susținătorii teoriei că un mecanism de alimentare îmbunătățit a dus la creșterea rapidă a găurilor negre timpurii.
În plus, măsurători ale regiunii din jurul găurii negre supermasive, unde materia se învârte aproape de viteza luminiiconformă cu observațiile din aceleași regiuni ale quasarelor moderne.
Observațiile JWST ale acestui quasar au dezvăluit o diferență majoră între acesta și omologii săi moderni. Praful din torul din jurul discului de acreție a avut o temperatură de aproximativ 2.060 de grade Fahrenheit (1.130 de grade Celsius), care este cu aproximativ 100 de grade mai fierbinte decât inelele de praf din jurul quasarelor supermasive alimentate de găuri negre văzute mai aproape de Pământ.
Cercetarea favorizează o altă metodă de creștere timpurie a găurii negre supermasive, care sugerează că acești titani cosmici au avut un avans în universul timpuriu, formându-se din „semințe” găuri negre care erau deja masive. Aceste semințe grele ar fi avut mase de cel puțin o sută de mii de ori mai mari decât cele ale soarelui, formându-se direct prin prăbușirea norilor de gaz timpurii și masivi.
Cercetarea echipei a fost publicată pe 17 iunie în jurnal Astronomia naturii.
Postat inițial pe Space.com.