Nowe obserwacje Teleskopów Webba i Subaru pozwoliły odkryć supermasywne czarne dziury ukryte w masywnych, niemal wygasłych galaktykach sprzed 12,9 miliarda lat. Wyniki te rzucają nowe światło na rolę czarnych dziur w hamowaniu rozwoju gwiazd i współewolucji galaktyk we wczesnym Wszechświecie.
Dzięki możliwościom szerokokątnego Teleskopu Subaru, astronomowie odkryli aktywne supermasywne czarne dziury, czyli kwazary, w jednym z najdalszych obszarów Wszechświata. Obiekty zostały następnie szczegółowo przeanalizowane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST). Przełomowe obserwacje ujawniły, jak galaktyki oraz ich centralne czarne dziury rosły 12,9 miliarda lat temu, zaledwie 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zespół naukowców, wykorzystując dane z JWST, ustalił, że galaktyki macierzyste tych kwazarów osiągnęły już wysoką masę gwiazdową, lecz obecnie procesy gwiazdotwórcze w nich znacząco spowalniają lub niemal całkowicie wygasły. Odkrycie to stanowi kluczowy dowód na istotną rolę supermasywnych czarnych dziur w kształtowaniu najstarszych i najszybciej rosnących galaktyk, a było możliwe dzięki synergii wynikającej z połączenia szerokokątnego przeglądu nieba przez Teleskop Subaru z wysoką czułością JWST w zakresie podczerwieni.
W centrach galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury o masach rzędu setek tysięcy do dziesiątek miliardów mas Słońca. W fazie aktywności emitują one ogromne ilości energii, akreując materię ze swojego otoczenia – ten proces sprawia, że widoczne są jako jasne kwazary. Obserwacje pobliskiego Wszechświata wykazały silną korelację między masą galaktyki a masą jej centralnej czarnej dziury, sugerując tzw. koewolucję tych struktur w czasie kosmicznym. Moment oraz mechanizm zainicjowania tej współewolucji pozostają jednak nieznane. Kluczowe znaczenie ma badanie bardzo odległych galaktyk, by rozdzielić wpływ aktywności czarnych dziur na ich populacje gwiazdowe.
Międzynarodowy zespół naukowców z Instytutu Fizyki i Matematyki Wszechświata im. Kavliego na Uniwersytecie Tokijskim i Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii zaobserwował dwa kwazary: J2236+0032 oraz J1512+4422. Obiekty znajdują się 12,9 miliarda lat świetlnych od Ziemi i zostały dostrzeżone za pomocą spektrografu bliskiej podczerwieni (NIRSpec) teleskopu Webba. Kwazary stanowiły cele obserwacyjne w ramach strategicznego programu Hyper Suprime-Cam Subaru (HSC-SSP), który umożliwia szerokokątny przegląd nieba i był realizowany już w pierwszym roku pracy naukowej JWST.
Wyniki obserwacji były zaskakujące. Oprócz jasnego światła kwazarów zespół wykrył linie absorpcyjne wodoru neutralnego https://www.urania.edu.pl/tagi/wodor-neutralny pochodzące od gwiazd macierzystych galaktyk. Analiza spektralna wskazała, że w tych galaktykach doszło w ostatnim czasie do bardzo ograniczonego tworzenia nowych gwiazd, a kilkaset milionów lat wcześniej prawdopodobnie nastąpił intensywny wzrost procesu gwiazdotwórczego, który następnie gwałtownie osłabł. Wyjątkowa masa gwiazdowa galaktyk – odpowiednio 60 miliardów (J2236+0032) oraz 40 miliardów (J1512+4422) mas Słońca – potwierdza ich dojrzałość na bardzo wczesnym etapie ewolucji Wszechświata.
Dr Masafusa Onoue z Kavli IPMU (WPI/Uniwersytet Waseda), główny autor publikacji, podkreślił: Znalezienie tak dojrzałych galaktyk we Wszechświecie niecały miliard lat po Wielkim Wybuchu było całkowitym zaskoczeniem. Co jeszcze bardziej niezwykłe, te ‘umierające’ galaktyki wciąż zawierają aktywne supermasywne czarne dziury.
Poprzednie badania sugerowały, że aktywność czarnych dziur może ograniczać wzrost galaktyk macierzystych oraz napędzać przejście od fazy intensywnego formowania gwiazd do fazy spoczynku. Najnowsze obserwacje ukazują ten proces w działaniu, pogłębiając nasze zrozumienie złożonej historii wzrostu galaktyk i czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Wyniki stanowią unikatowy przykład badań japońskich astronomów, możliwych dzięki wykorzystaniu możliwości Teleskopu Subaru i Teleskopu Webba.
Obecnie zespół kontynuuje szczegółową analizę danych JWST oraz planuje kolejne obserwacje w celu dogłębnego zbadania relacji pomiędzy galaktykami i supermasywnymi czarnymi dziurami oraz jej roli w kształtowaniu ewolucji kosmicznej.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Supermassive Black Holes Shine in the Most Distant "Dying" Massive GalaxiesーNew Evidence for Rapid Co-evolution
- A post-starburst pathway for the formation of massive galaxies and black holes at z > 6
Źródło: Subaru Telescope
Na ilustracji: Ogromna galaktyka przechodząca w fazę spoczynku (koncepcja artystyczna, po lewej), w której centrum znajduje się aktywna supermasywna czarna dziura (koncepcja artystyczna, po prawej). Źródło: Kavli IPMU
