JWST odkrył supermasywne czarne dziury, które wydają się zbyt masywne dla małych galaktyk, w których się znajdują. Przełamując znane od dawna kosmiczne skale, obiekty te pozwalają astronomom badać pierwotny kosmos.
Astronomowie odkryli, że supermasywne czarne dziury znajdujące się w jądrach wczesnych galaktyk są znacznie masywniejsze niż początkowo sądzono. Te zaskakująco potężne czarne dziury oferują nowe spojrzenie na pochodzenie wszystkich supermasywnych czarnych dziur, a także na najwcześniejsze etapy życia ich galaktyk macierzystych.
W pobliskich, dojrzałych galaktykach, takich jak nasza Droga Mleczna, całkowita masa gwiazd znacznie przewyższa masę dużej czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki o około 1000:1. Jednak w nowo odkrytych odległych galaktykach różnica mas spada do 100:1 lub 10:1, a nawet do 1:1, co oznacza, że masa czarnej dziury może równać się łącznej masie gwiazd galaktyki macierzystej.
Ten nieoczekiwany obraz masywnych czarnych dziur w rozwijających się galaktykach został uchwycony przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Przed uruchomieniem JWST pod koniec 2021 roku, astronomowie skupiali swoje badania na odległych czarnych dziurach głównie poprzez analizę niezwykle jasnych kwazarów, składających się z monstrualnych, pożerających materię czarnych dziur, które całkowicie przyćmiewały gwiazdy w swoich galaktykach macierzystych.
Dzięki JWST możemy wreszcie obserwować czarne dziury o niższej masie, ale wciąż supermasywne, w małych, odległych galaktykach, a także możemy zobaczyć gwiazdy w tych galaktykach macierzystych – powiedział Fabio Pacucci z Center for Astrophysics | Harvarda & Smithsona (CfA), główny autor badania opublikowanego w The Astrophysical Journal Letters. To pozwala nam po raz pierwszy badać wczesne czarne dziury i ich galaktyki macierzyste, gdy ewoluują razem.
Dowiedzieliśmy się, że odległe, młode galaktyki naruszają relację między masą czarnej dziury a masą gwiazdową, która jest bardzo dobrze ugruntowana w pobliskich, dojrzałych galaktykach: te pierwotne czarne dziury są niewątpliwie zbyt masywne w stosunku do populacji gwiazd ich gospodarzy – powiedział Roberto Maiolino, profesor na Uniwersytecie w Cambridge (Wielka Brytania) i współautor badania. Dzięki JWST możliwe będzie wskazanie, w jaki sposób powstały pierwsze supermasywne czarne dziury, które są bardziej odległe i mniejsze niż te znalezione do tej pory, a które według naszych badań są dość liczne.
Na potrzeby badania Pacucci i współpracownicy przeprowadzili analizę statystyczną zestawu 21 galaktyk, oddalonych o około 12 do 13 miliardów lat świetlnych i obserwowanych w ramach trzech opublikowanych przeglądów JWST.
W tych 21 galaktykach znajdują się centralne czarne dziury o typowej masie szacowanej na dziesiątki lub setki milionów razy większej niż masa naszego Słońca. Są to wciąż supermasywne, ale stosunkowo niewielkie w porównaniu z czarnymi dziurami zasilającymi większość obserwowanych do tej pory odległych kwazarów, których masa jest miliardy razy większa od masy Słońca.
Ogólnie rzecz biorąc, obserwujemy, że czarne dziury w młodych galaktykach zaobserwowanych przez JWST są około dziesięć do stu razy bardziej masywne niż przewiduje to relacja skalowania w lokalnym Wszechświecie – oświadczył Xiaohui Fan, profesor na Uniwersytecie Arizony i współautor badania. Stosunek masy gwiazd do masy czarnych dziur we wczesnych galaktykach był znacznie niższy kilkanaście miliardów lat temu niż obecnie. Wynik ten ma ważne implikacje dla badania pierwszej populacji czarnych dziur.
Dokładne określenie tego współczynnika powinno przyczynić się do zidentyfikowania, w jaki sposób wytworzyli się prekursorzy supermasywnych czarnych dziur, określanych jako „nasiona” czarnych dziur. W zarysie astronomowie przedstawili dwie główne ścieżki ewolucji: „lekkie” i „ciężkie” nasiona.
Nasiona lekkich czarnych dziur miałyby stosunkowo niewielką masę, wynoszącą około 100 do 1000 mas Słońca. Te lekkie nasiona powstałyby jako pozostałości pierwszych, olbrzymich gwiazd we Wszechświecie. Z drugiej strony, nasiona ciężkich czarnych dziur miałyby masę od 10 000 do 100 000 mas Słońca. Teoretycznie takie potężne nasiona powstały w wyniku bezpośredniego grawitacyjnego zapadania się gigantycznych obłoków gazu.
Ścieżka ciężkich nasion, przygotowując grunt pod wzrost ze znacznie wyższego punktu początkowego, powinna przyspieszyć terminowe formowanie się bardzo wczesnych supermasywnych czarnych dziur, które zespół naukowców odkrył w ciągu ostatnich dwudziestu lat przy coraz większych odległościach. Nowe odkrycia supermasywnych czarnych dziur potwierdzają koncepcję ciężkich nasion, ponieważ symulacje i obliczenia teoretyczne tej ścieżki przewidują, że czarne dziury powinny być mniej więcej tak masywne lub nawet masywniejsze niż gwiazdowy składnik młodych galaktyk, w których się znajdują.
To, w jaki sposób galaktyki kształtowały się i ewoluowały wokół pierwotnych nasion czarnych dziur, pozostaje otwartym pytaniem astrofizycznym. Czy czarne dziury rosły głównie poprzez wciąganie gazu, czy też poprzez fuzje z innymi czarnymi dziurami? Czy masa gwiazdowa gromadziła się głównie w obrębie galaktyki, czy też konieczne były fuzje z innymi, większymi galaktykami? Pacucci i jego zespół oczekują, że odpowiedzi zaczną się pojawiać wraz z dodatkowymi badaniami JWST.
Wiemy, że w czasie kosmicznym stosunek masy gwiazd do masy czarnej dziury stopniowo dorównuje lokalnemu stosunkowi 1000:1 we współczesnym Wszechświecie. Dzieje się tak, gdy czarna dziura i jej układ galaktyczny ewoluują razem, łącząc się z innymi galaktykami i tworząc legiony gwiazd – powiedział Pacucci. To, nad czym wciąż pracujemy, to spojrzenie wystarczająco głęboko we Wszechświat, aby dowiedzieć się, jak to wszystko się zaczęło.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Unexpectedly Massive Black Holes Dominate Small Galaxies in the Distant Universe
- JWST CEERS and JADES Active Galaxies at z = 4–7 Violate the Local M•–M⋆ Relation at >3σ: Implications for Low-mass Black Holes and Seeding Models
Źródło: CfA
Na ilustracji: Wizja artystyczna czarnej dziury (w środku) znajdującej się w małej galaktyce macierzystej w odległym Wszechświecie (po lewej). W pobliskim Wszechświecie (po prawej) czarna dziura tej samej wielkości znajdowałaby się w znacznie większej galaktyce. Źródło: CfA/Melissa Weiss
