Chodzi o linię emisyjną wodoru Hβ (czytaj: ha-beta) pokazaną na ilustracji tytułowej z kosmologicznym przesunięciem ku czerwieni z = 8,679 (stąd obserwowana długość fali ~4,71μm vs emitowana/laboratoryjna 0,4861μm), a aktywna czarna dziura posiada w Hβ modelowy profil oznaczony linią żółtą. Jest to dowód obserwacyjny, że astronomowie odkryli za pomocą Teleskopu Webba najbardziej odległą obecnie, aktywną supermasywną czarną dziurę w galaktyce macierzystej CEERS 1019, która istniała, gdy Wszechświat liczył zaledwie 570 milionów lat. Czarna dziura w jej centrum okazuje się kilkaset razy mniej masywna niż inne, znane nam supermasywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie.
Wydaje się, że rekord galaktyki CEERS 1019 zostanie pobity w ciągu kilku tygodni, ponieważ aktualnie astronomowie weryfikują obserwacje z Teleskopu Webba jeszcze bardziej odległych czarnych dziur.
To odkrycie dokonano w ramach przeglądu CEERS (the Cosmic Evolution Early Release Science) kierowanego przez Stevena Finkelsteina (University of Texas, USA). CEERS dotyczy przeglądu obserwacyjnego fragmentu nieba 100 minut kwadratowych w gwiazdozbiorze Wolarza. Są to obserwacje (zdjęcia + widma) wykonane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba w bliskiej i średniej podczerwieni z użyciem instrumentów NIRCam, NIRSpec i MIRI. W szczególności w tym materiale zostały pokazane zdjęcia z kamery NIRCam oraz widma ze spektrografu NIRSpec z wykorzystaniem macierzy 248 tysięcy mikromigawek, w bliskiej podczerwieni (długość fali obserwowanego promieniowania < ~5μm). Pole obserwacyjne CEERS o przekątnej 23’ pokazano na poniższej ilustracji (górny panel).
Do tej pory badania obiektów we wczesnym Wszechświecie były w dużym stopniu teoretyczne. Dzięki Teleskopowi Webba możemy nie tylko dostrzec czarne dziury i galaktyki na ekstremalnych odległościach, ale również rozpocząć ich dokładne pomiary. To jest niesamowita siła tego teleskopu – powiedział Finkelstein.
Na ilustracji: Kolaż wielu zdjęć (u góry) sfotografowanych w podczerwieni przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba dla przeglądu CEERS (the Cosmic Evolution Early Release Science) obejmującego fragment nieba 100 minut kwadratowych (zdjęcia + spektroskopia) w gwiazdozbiorze Wolarza o przekątnej 23’. W dolnym panelu pokazano tylko powiększony fragment zdjęcia z tej zbiorczej ekspozycji. Zastosowano następujące mapowania kolorów: niebieski → 1,15 + 1,50 μm, zielony → 2,00 + 2,77 μm , czerwony → 3,56 + 4,44 μm. Na trzech ilustracjach z widmami galaktyk z niniejszego artykułu jest zaznaczona pozycja danej galaktyki na tym zbiorczym zdjęciu. Źródło: NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin)
Z wczesnego Wszechświata, ale zbyt drobniutka, jak na standard „supermasywności”
CEERS 1019 ewidentnie jest galaktyką istniejącą we wczesnym Wszechświecie (dowód, np. widmo z ilustracji tytułowej z linią wodoru H-beta (Hβ) z przesunięciem ku czerwieni od długości emitowanej fali porównywalnej z laboratoryjną 0,4861μm do ~4,71μm → dokładne „z”=8,679 z publikacji arXiv 2303.08918). Masę aktywnej, supermasywnej czarnej dziury w jej centrum oszacowano na około 9 milionów mas Słońca - co jest wartością kilkaset razy mniejszą niż supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, które zostały odkryte innymi teleskopami niż Teleskop Webba. Prezentuje to poniższa ilustracja – w obszarze zaznaczonym na niebiesko odkryto supermasywne czarne dziury za pomocą teleskopów naziemnych lub satelitarnych (bez Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba).
Typowa masa tych gigantycznych czarnych dziur wynosi ponad 1 miliard mas Słońca i są łatwiejsze do detekcji ze względu na ich ogromne jasności, np. kwazar J0100+2802 posiada jasność kilkadziesiąt tysięcy razy większą niż Drogi Mlecznej i masę ~10 miliardów M☉ (fotony zostały wyemitowane około 12,8 miliarda lat). Z drugiej strony masa czarnej dziury w galaktyce CEERS 1019 ma podobną masę, jak czarna dziura w naszej Drodze Mlecznej, której masa wynosi 4,6 miliona mas Słońca.
Astronomowie zweryfikowali również wizualną charakterystykę galaktyki CEERS 1019 i odkryli, że widać tam trzy jasne plamki zamiast jednego koła (szczegóły na ilustracji tytułowej). Ze względu na ten szczególny wygląd astronomowie pozwolili sobie na spekulacje, iż to koalescencja/połączenie się galaktyk może być źródłem energii wywołującej aktywność tej czarnej dziury, co z kolei prowadzi do przyspieszenia procesów gwiazdotwórczych.
Jeszcze bardzie odległe czarne dziury i galaktyki
Oprócz czarnej dziury w galaktyce CEERS 1019 zespół astronomów w ramach przeglądu CEERS zidentyfikował jeszcze dwie supermasywne czarne dziury z tej „lżejszej” kategorii (… miliony zamiast miliardów mas Słońca). Pierwsza z nich w galaktyce CEERS 2782 była łatwa do detekcji ze względu na brak pyłu. Ta czarna dziura istniała zaledwie 1,1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu i jej światło zostało wyemitowane 12,7 miliarda lat temu. Z danych wynika również brak pyłu. Druga czarna dziura w galaktyce CEERS 746 pojawiła się nieco wcześniej, bo około 1 miliard lat po Wielkim Wybuchu. Duża jasność częściowo przesłoniętego przez pył dysku akrecyjnego tej supermasywnej czarnej dziury wskazuje na to, że w galaktyce macierzystej zachodziły również silne procesy gwiazdotwórcze.
Podobnie jak w galaktyce CEERS 1019, obie supermasywne czarne dziury w CEERS 2782 i CEERS 746 są uważane za „lekkie” w porównaniu do wcześniej odkrytych w podobnych odległościach supermasywnych czarnych dziur za pomocą innych teleskopów niż Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (fioletowy obszar na poniższym rysunku z napisem „Detections by other telescopes”). Natomiast obie czarne dziury posiadają masy „zaledwie” 10 milionów mas Słońca.
Grafika pokazuje podstawowe informacje (wiek Wszechświata vs masy czarnych dziur w milionach mas Słońca) najbardziej odległych według aktualnego stanu wiedzy aktywnych supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie. Niebieskie tło reprezentuje czarne dziury, które zostały odkryte przez różne teleskopy- zarówno orbitalne jak i naziemne. Trzy żółte kropki reprezentują aktywne supermasywne czarne dziury, które zostały odkryte niedawno w ramach przeglądu CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) z użyciem Teleskopu Webba. Ciekawe, że te czarne dziury odkryte przez Teleskop Webba są około kilkaset razy mniej masywne, niż odkryte innymi teleskopami. Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)
Członek zespołu CEERS Dale Kocevski (Colby College, USA) zauważył, że te mniej masywne czarne dziury mogą występować częściej we wczesnym Wszechświecie niż do tej pory uważaliśmy.
Centralna czarna dziura jest widoczna, ale obecność pyłu sugeruje, że może znajdować się w galaktyce, w której trwa gwałtowna produkcja gwiazd. Astronomowie od dawna wiedzieli, że muszą istnieć mniej masywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie. Obecnie sądzimy, że mniej masywne czarne dziury mogą znajdować się tam wszędzie i czekają na odkrycie - powiedział Kocevski
Dobrej jakości widma z Teleskopu Webba pozwoliły również wyznaczyć odległości i wiek galaktyk we wczesnym Wszechświecie. Astronomowie zidentyfikowali 11 galaktyk, które istniały od 470 do 675 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Pomimo ekstremalnej odległości w tych galaktykach zachodzą gwałtowne procesy gwiazdotwórcze i są mniej wzbogacone chemicznie niż galaktyki znajdujące się bliżej nas. Kilka widm tych galaktyk pokazano w dalszej części tego materiału.
W przyszłości dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba mogą pomóc w wyjaśnieniu mechanizmu powstawania tych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, weryfikując ich modele powstania i dalszego wzrostu przez pierwsze kilkaset milionów lat historii Wszechświata.
Dodatek dla miłośników widm z Teleskopu Webba
Prawie cała nasza wiedza o galaktykach i supermasywnych czarnych dziurach z odległych krańców Wszechświata pochodzi z obserwacji spektroskopowych. Chociażby to jak daleko od nas znajduje się dany obiekt możemy określić na podstawie obserwowanego kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni z=(λobs-λem)/λem, gdzie λem – emitowana (zbliżona do laboratoryjnej) długość fali, λobs -obserwowana długość fali danej linii widmowej.
Na przykład na ilustracji tytułowej jest pokazany fragment widma dla galaktyki CEERS 1019 z profilem linii widmowej wodoru Hβ przesuniętej od emitowanej (porównywalnej z laboratoryjną) długości fali λem =0,4861μm (zakres wizualny) do podczerwieni λobs~4,71μm, Z tych danych można obliczyć obserwowane kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni z~8,7 i w zależności od przyjętego modelu Wszechświata można oszacować różne parametry odległościowe za pomocą kalkulatora kosmologicznego. Najdokładniejszą wartość kosmologicznego przesunięcia ku czerwieni z=8,679 dla galaktyki CEERS 1019 można znaleźć w publikacji arXiv 2303.08918.
Z kolei dowodem, że w galaktyce CEERS 1019 znajduje się aktywna(!) supermasywna czarna dziura jest kształt profilu tej linii widmowej. Astronomowie dopasowali do profilu obserwacyjnego linii wodoru Hβ dwa profile modelowe. Pierwszy profil teoretyczny odpowiada galaktyce CEERS 1019 z wolno rotującym gazem (fioletowa linia), a drugi (żółta linia) – profil teoretyczny aktywnej supermasywnej czarnej dziurze w tej galaktyce z szybciej poruszającą się materią gazową (wodór). Obserwowany profil linii Hβ jest złożeniem obu modelowych profili.
Na ilustracji: W ramach przeglądu CEERS bazującego na obserwacjach wykonanych Teleskopem Webba dla fragmentu nieba o polu 100 minut kwadratowych astronomowie odkryli dwie supermasywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie, które jednak posiadają masy około kilkaset razy mniejsze niż zaobserwowane do tej pory innymi teleskopami.
W oparciu o widma uzyskane Teleskopem Webba oszacowano, że obie czarne posiadają masy około 10 milionów mas Słońca. Natomiast od dziesięcioleci już wiemy o istnieniu supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, które jednak są znacznie masywniejsze – więcej niż miliard mas Słońca. Dla porównania masa supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej jest 4,6 miliona razy większa od masy naszego Słońca.
Pierwsze widmo jest dowodem, że supermasywna czarna dziura w galaktyce CEERS 2782 istniała zaledwie 1,1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Z danych wynika również brak pyłu. Druga czarna dziura w galaktyce CEERS 746 pojawiła się nieco wcześniej, bo około 1 miliard lat po Wielkim Wybuchu. Duża jasność częściowo przesłoniętego przez pył dysku akrecyjnego tej supermasywnej czarnej dziury wskazuje na to, że w tej galaktyce macierzystej zachodziły również silne procesy gwiazdotwórcze.
Do tych obserwacji w spektrografie Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) została użyta macierz 248 tysięcy mikromigawek.
Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)
![Na ilustracji: W ramach przeglądu CEERS bazującego na obserwacjach wykonanych Teleskopem Webba dla fragmentu nieba o polu 100 minut kwadratowych astronomowie odkryli siedem galaktyk z okresu 540-660 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Dowody spektroskopowe potwierdzające trzy z tych odkryć (CEERS 24, CEERS 23 i CEERS 3) pokazano na tej ilustracji, na której występuje struktura: linia widmowa wodoru Hβ + dwie linie widmowe tlenu [O III]. Ta kombinacja linii widmowych pozwala wyznaczyć kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni „z” dla tych galaktyk i tym samym określić jak dawno temu światło od nich zostało wyemitowane. Oszacowano, że fotony z galaktyk CEERS 23 i CEERS 23 wyruszyły w podróż do nas około 13,3 miliarda lat temu, zaś z galaktyki CEERS 3 – 13,2 miliarda lat temu. Na podstawie widm galaktyk astronomowie wyznaczyli również ich skład chemiczny. Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)](/sites/default/files/inline-images/STScI-01H28T8EHR2PVK0FY5RHWCKPY6.png)
Na ilustracji: W ramach przeglądu CEERS bazującego na obserwacjach wykonanych Teleskopem Webba dla fragmentu nieba o polu 100 minut kwadratowych astronomowie odkryli siedem galaktyk z okresu 540-660 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Dowody spektroskopowe potwierdzające trzy z tych odkryć (CEERS 24, CEERS 23 i CEERS 3) pokazano na tej ilustracji, na której występuje struktura: linia widmowa wodoru Hβ + dwie linie widmowe tlenu [O III]. Ta kombinacja linii widmowych pozwala wyznaczyć kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni „z” dla tych galaktyk i tym samym określić jak dawno temu światło od nich zostało wyemitowane. Oszacowano, że fotony z galaktyk CEERS 23 i CEERS 23 wyruszyły w podróż do nas około 13,3 miliarda lat temu, zaś z galaktyki CEERS 3 – 13,2 miliarda lat temu. Na podstawie widm galaktyk astronomowie wyznaczyli również ich skład chemiczny. Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)
W programie obserwacyjnym CEERS w spektrografie Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) została użyta macierz 248 tysięcy mikromigawek. NIRSpec jest jednym z najbardziej uniwersalnych instrumentów Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba do spektroskopii w bliskiej podczerwieni (λ ~0,6-5µm).
Oprócz spektroskopii z użyciem standardowej pojedynczej szczeliny do obserwacji konkretnego ciała niebieskiego (ang. Slitted Mode), NIRSpec posiada:
• moduł zintegrowanego pola (ang. IFU/ Integrated Field Unit) do badania całego pola prędkości i kierunków ruchu dla rozciągłych obiektów takich jak galaktyki lub protogwiazdy zanurzone w mgławicach (w tym modzie pole widzenia spektrografu wynosi 3”x3”);
• macierz 248 tysięcy mikro-migawek 100x200µm sterowanych indywidualnie, które umożliwiają równoczesną spektroskopię do 100 obiektów (ang. Multi-Object Mode);
• tryb ciągły (ang. Time-Series Mode) umożliwia rejestrację widma jakiegoś obiektu w stałych odstępach czasowych, aby uchwycić zmiany w czasie.
Źródło: NASA, ESA, Andi James (STScI)
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa (seria artykułów w specjalnym wydaniu AP.J. Letters – dostęp otwarty): Focus on the Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) JWST Survey
With Webb, a slew of other distant black holes and early galaxies also popped into view for the first time
James Webb Telescope Discovers Most Ancient Supermassive Black Hole
Webb Detects Most Distant Active Supermassive Black Hole to Date
Black hole existed 570 million years after Big Bang (NIRSpec MSA emission spectrum)
Źródło: NASA, ESA, CSA
Na ilustracji: Astronomowie odkryli z pomocą Teleskopu Webba najbardziej odległą w-g aktualnego stanu wiedzy aktywną supermasywną czarną dziurę w galaktyce CEERS 1019, która istniała już 570 mln lat po Wielkim Wybuchu i posiadała masę „zaledwie” 9 milionów mas Słońca.
Dla porównania masa supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej jest 4,6 miliona razy większa niż masa naszego Słońca. Od dziesięcioleci już wiemy o istnieniu takich supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, które jednak są znacznie masywniejsze – więcej niż miliard mas Słońca.
Wydaje się, że rekord CEERS 1019 na najbardziej odległą supermasywną czarną dziurę zostanie w ciągu kilku tygodni pobity, ponieważ aktualnie astronomowie weryfikują obserwacje zrobione Teleskopem Webba jeszcze bardziej odległych czarnych dziur.
Jako dowód na ekstremalną odległość galaktyki CEERS 1019 pokazano na tym rysunku profil linii widmowej wodoru H-beta (Hβ) przesuniętej od emitowanej (porównywalnej z laboratoryjną) długości fali 0,4861μm w zakresie wizualnym do podczerwieni ~4,71μm Zaś dowodem na istnienie czarnej dziury jest obserwowany profil linii Hβ składający się z dwóch modelowanych komponentów: profil teoretyczny (fioletowa linia) galaktyki CEERS 1019 z wolno rotującym gazem; profil teoretyczny (żółta linia) aktywnej supermasywnej czarnej dziurze w tej galaktyce z szybciej poruszającą się materią gazową (wodór).
Źródło: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)
