Găurile negre au format quasari la mai puțin de un miliard de ani după Big Bang

Devin greoi –

Un quasar cu aspect surprinzător de normal când Universul avea 750 de milioane de ani.

Găurile negre supermasive par să fie prezente în centrul fiecărei galaxii, mergând înapoi la unele dintre cele mai vechi galaxii din Univers. Și nu avem idee cum au ajuns acolo. Nu ar trebui să fie posibil ca ei să crească de la rămășițe de supernovă la dimensiuni supermasive la fel de repede ca ei. Și nu suntem conștienți de niciun alt mecanism care ar putea forma ceva suficient de mare încât să nu fie necesară o creștere extremă.

Aparenta imposibilitate a găurilor negre supermasive în Universul timpuriu era deja o mică problemă; telescopul spațial James Webb doar a înrăutățit situația prin găsirea unor exemple din ce în ce mai vechi de galaxii cu găuri negre supermasive. În cel mai recent exemplu, cercetătorii au folosit Webb pentru a caracteriza un quasar alimentat de o gaură neagră supermasivă, așa cum a existat la aproximativ 750 de milioane de ani după Big Bang. Și pare șocant de normal.

Privind înapoi în timp

Quasarii sunt cele mai strălucitoare obiecte din Univers, alimentate de hrănirea activă a găurilor negre supermasive. Galaxia care le înconjoară le hrănește suficient material încât să formeze discuri de acreție strălucitoare și jeturi puternice, ambele emitând cantități mari de radiații. Ele sunt adesea parțial învăluite în praf, care strălucește din absorbția unei părți din energia emisă de gaura neagră. Acești quasari emit atât de multă radiație încât în ​​cele din urmă alungă o parte din materialul din apropiere din galaxie în întregime.

Așadar, prezența acestor trăsături în Universul timpuriu ne-ar spune că găurile negre supermasive nu au fost prezente doar în Universul timpuriu, ci au fost și integrate în galaxii așa cum sunt în vremuri mai recente. Dar a fost foarte greu să le studiez. Pentru început, nu am identificat multe; există doar nouă quasari care datează dinainte, când Universul avea 800 de milioane de ani. Datorită acestei distanțe, caracteristicile sunt greu de rezolvat, iar deplasarea către roșu cauzată de expansiunea Universului preia radiația UV intensă de la multe elemente și le întinde adânc în infraroșu.

Cu toate acestea, telescopul Webb a fost proiectat special pentru a detecta obiecte din Universul timpuriu, fiind sensibil la lungimile de undă infraroșii unde apare această radiație. Deci, noua cercetare se bazează pe indicarea Webb către primul dintre cei nouă quasari timpurii care au fost descoperiți, J1120+0641.

Și pare… remarcabil de normal. Sau cel puțin asemănătoare cu quasarii din perioade mai recente din istoria Universului.

În mare parte normal

Cercetătorii analizează continuumul radiațiilor produse de quasar și găsesc indicii clare că acesta este încorporat într-o gogoașă fierbinte și prăfuită de material, așa cum se vede în quasarii ulterioare. Acest praf este puțin mai fierbinte decât în ​​unele quasari mai recente, dar aceasta pare să fie o caracteristică comună a acestor obiecte în stadiile anterioare ale istoriei Universului. Radiația de la un disc de acreție este, de asemenea, evidentă în spectrul emisiilor.

Diverse mijloace de estimare a valorilor produse în masă ale găurii negre în zona de 10⁹ de ori masa Soarelui, plasându-l în mod clar pe teritoriul unei găuri negre supermasive. Există, de asemenea, dovezi, de la o ușoară deplasare în albastru a uneia dintre radiații, că quasarul aruncă material cu aproximativ 350 de kilometri pe secundă.

Există câteva ciudatenii. Unul este că materialul pare să cadă și în interior cu aproximativ 300 de kilometri pe secundă. Acest lucru ar putea fi cauzat de materialul care se rotește departe de noi în discul de acumulare. Dar dacă da, ar trebui să se potrivească cu materialul care se rotește spre noi pe partea opusă a discului. Acest lucru a fost văzut de alte câteva ori în quasari foarte timpurii, dar cercetătorii admit că „Originea fizică a acestui efect este necunoscută”.

O opțiune pe care o sugerează ca explicație este că întregul quasar se mișcă, scos din poziția sa în centrul galaxiei de o fuziune anterioară cu o altă gaură neagră supermasivă.

Cealaltă ciudățenie este că există, de asemenea, o ieșire foarte rapidă a carbonului puternic ionizat – mișcându-se cu aproximativ dublul vitezei decât se întâmplă în quasari în momente ulterioare. S-a mai văzut asta, dar nu există nicio explicație pentru asta.

Cum sa întâmplat asta?

În ciuda ciudateniilor, acest obiect seamănă mult cu quasari în vremuri mai recente: „Observațiile noastre demonstrează că structurile complexe ale torului prăfuit și ale [accretion disk] se pot stabili în jurul unui [supermassive black hole] mai puțin de 760 Myr după Big Bang”.

Și din nou, aceasta este o mică problemă, deoarece indică prezența unei găuri negre supermasive integrate în galaxia gazdă foarte devreme în istoria Universului. Pentru a ajunge la tipul de dimensiuni observate aici, găurile negre împing în sus față de ceea ce se numește limita Eddington – cantitatea de material pe care o pot atrage înainte ca radiația produsă prin aceasta să alunge materialul învecinat, sufocând hrana găurii negre.

Asta sugerează două opțiuni. Unul este că aceste lucruri au ingerat material cu mult dincolo de limita Eddington pentru cea mai mare parte a istoriei lor – ceva ce nu am observat și ceva care cu siguranță nu este adevărat pentru acest quasar. Cealaltă opțiune este că au început masiv (la aproximativ 10⁴ de ori masa Soarelui) și a continuat să se hrănească într-un ritm mai rezonabil. Dar nu știm cu adevărat cum se poate forma ceva atât de mare.

Deci, Universul timpuriu rămâne un loc destul de nedumerit.

Nature Astronomy, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Despre DOI).