Folosind Telescopul spațial James Webb (JWST), astronomii au observat „dansul” dramatic dintre o gaură neagră supermasivă și două galaxii satelit. Observațiile ar putea ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine cum au crescut galaxiile și găurile negre supermasive în universul timpuriu.
Acest anume gaura neagra supermasiva se hrănește cu materia înconjurătoare și alimentează un quasar strălucitor, care este atât de îndepărtat încât JWST îl vede așa cum a fost la mai puțin de un miliard de ani după Big bang. Quasarul, desemnat PJ308-21, este localizat într-un nucleu galactic activ (AGN) într-o galaxie care este în proces de fuziune cu două galaxii satelit masive.
Nu numai că echipa a stabilit că gaură neagră are o masă echivalentă cu două miliarde de sori, dar au descoperit, de asemenea, că atât quasarul, cât și galaxiile implicate în această fuziune sunt foarte evoluate, o surpriză având în vedere că au existat când cosmosul de 13,8 ani era doar un copil.
Fuziunea acestor trei galaxii este probabil să livreze găurii negre supermasive cantități mari de gaz și praf, ceea ce îi va facilita creșterea și îi va permite să continue să alimenteze PJ308-21.
„Studiul nostru dezvăluie că atât găurile negre din centrul deplasării spre roșu ridicate [early and distant] quasarii și galaxiile care îi găzduiesc suferă o creștere extrem de eficientă și tumultuoasă deja în primul miliard de ani de istorie cosmică, ajutate de mediul galactic bogat în care se formează aceste surse”, șeful echipei Roberto Decarli, cercetător la Institutul Național de Astrofizică din Italia. (INAF), a spus într-o declarație.
Datele au fost colectate în septembrie 2022 de către JWSTInstrumentul Near InfraRed Spectrograph (NIRSpec) al lui, ca parte a Programului 1554, care își propune să observe fuziunea dintre galaxia care găzduiește PJ308-21 și două dintre galaxiile sale satelit.
Decarli a adăugat că lucrarea a reprezentat un adevărat „rollercoaster emoțional” pentru echipă, care a dezvoltat soluții inovatoare pentru a depăși dificultățile inițiale în reducerea datelor și pentru a produce imagini cu o incertitudine mai mică de 1% per pixel.
Quazarii se nasc atunci când găurile negre supermasive cu mase de milioane sau miliarde de ori mai mari decât cele ale soarelui, care se află în inima galaxiilor, sunt înconjurate de o bogăție de gaz și praf. Această materie formează un nor aplatizat numit disc de acreție care se învârte în jurul găurii negre și o alimentează treptat.
Imensul forte gravitationale ale găurii negre generează forțe puternice de maree în acest disc de acumulare, care încălzesc temperaturile acestui gaz și praf până la 120.000 de grade Fahrenheit (67.000 de grade Celsius). Acest lucru face ca discul de acumulare să emită lumină peste spectru electromagnetic. Această emisie poate fi adesea mai strălucitoare decât lumina combinată a fiecărei stele din galaxia înconjurătoare, făcând quasari precum PJ308-21 unele dintre cele mai strălucitoare obiecte din cosmos.
În timp ce găurile negre nu au caracteristici care pot fi folosite pentru a determina cât de evoluate sunt, discurile lor de acreție (și, prin urmare, quasarii) au. De fapt, galaxiile pot fi „îmbătrânite” în același mod.
Universul timpuriu a fost umplut cu hidrogen, cel mai ușor și mai simplu element, și puțin heliu. Aceasta a stat la baza primelor stele și galaxii, dar în timpul vieții acestor corpuri stelare, ele au format elemente mai grele decât hidrogenul și heliul, pe care astronomii le numesc „metale”.
Când aceste stele și-au încheiat viața în explozii masive de supernove, aceste metale au fost dispersate în galaxiile lor și au continuat să fie elementele de bază ale următoarei generații de stele. Acest proces a văzut stelele și, prin ele, galaxiile, devenind progresiv „bogate în metale”.
Echipa a descoperit că, la fel ca majoritatea AGN-urilor, inima activă a lui PJ308-21 este bogată în metale, iar gazul și praful din jurul său sunt „fotoionizate”. Acesta este procesul prin care particulele de lumină, numite fotoni, furnizează energia. că electronii trebuie să scape de atomi, creând ioni încărcați electric.
Una dintre galaxiile care fuzionează cu galaxia gazdă PJ308-21 este, de asemenea, bogată în metale, iar materia sa este, de asemenea, parțial fotoionizată de radiația electromagnetică de la quasar.
Fotoionizarea are loc și în a doua galaxie satelit, dar în acest caz, este cauzată de o criză de formare rapidă a stelelor. Această a doua galaxie diferă și de prima și de AGN, deoarece pare să fie săracă în metale.
„Datorită NIRSpec, pentru prima dată, putem studia, în sistemul PJ308-21, banda optică bogată în date prețioase de diagnosticare asupra proprietăților gazului din apropierea găurii negre din galaxia care găzduiește quasarul și din galaxiile din jur. ”, a declarat membrul echipei și astrofizicianul INAF Federica Loiacono. „Putem vedea, de exemplu, emisia de atomi de hidrogen și o comparăm cu cea a elementelor chimice produse de stele pentru a stabili cât de bogat este gazul în metale”.
Deși lumina părăsește acest quasar din universul timpuriu în întreaga gamă largă a spectrului electromagnetic, inclusiv lumina optică și razele X, singura modalitate de a o observa este în infraroșu.
Asta pentru că, pe măsură ce lumina a călătorit de peste 12 miliarde de ani pentru a ajunge la JWST, expansiunea universului și-a „întins” lungimile de undă considerabil. Aceasta „deplasează” lumina în direcția „capătului roșu” al spectrului electromagnetic, un fenomen numit în mod înțeles „deplasare spre roșu”, care este notat cu „z” de către astronomi.
JWST este abil să vadă obiecte și evenimente cu „deplasare în roșu mare” sau „z înalt” precum PJ308-21 datorită sensibilității sale la lumina infraroșie.
„Datorită sensibilității JWST în infraroșu apropiat și mediu, a fost posibil să se studieze spectrul quasarului și al galaxiilor însoțitoare cu o precizie fără precedent în universul îndepărtat”, a concluzionat Loiacono. „Numai „vederea” excelentă oferită de JWST este capabilă să asigure aceste observații.”
Cercetarea echipei a fost acceptată pentru publicare în iunie 2024 în jurnal Astronomie și astrofizică.
Postat inițial pe Space.com.