Rozciągłe obłoki wodoru, znajdujące się wokół pierwszych kwazarów powstałych we Wszechświecie, mogły podtrzymywać szybki wzrost ich supermasywnych czarnych dziur.
Supermasywne czarne dziury, leżące w centrach dużych galaktyk, coraz częściej znajdowane są także w ogromnych odległościach kosmologicznych od nas, odpowiadających epoce Wszechświata rozpoczętej zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Zespół astronomów pod kierunkiem Emanuele Paolo Fariny z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka w Heidelbergu uzyskał teraz ważne informacje na temat tego, jak szybko mogły rozwijać się i rosnąć takie obiekty. Wykryto rozciągłe obłoki wodorowe wokół 12 z 31 obserwowanych aktywnych czarnych dziur i ich macierzystych galaktyk, które zdają się zapewniać tym dawnym czarnym dziurom wystarczającą ilość „pożywienia”. Wyniki badań ukazały się właśnie w „The Astrophysical Journal”.
Kwazary należą do najjaśniejszych i najbardziej długowiecznych obiektów we Wszechświecie. Dlatego da się je wykrywać nawet wtedy, gdy leżą bardzo daleko od nas – i gdy są w związku z tym bardzo, bardzo stare. Wraz ze wzrostem odległości od obserwowanych obiektów astronomowie spoglądają bowiem jednocześnie coraz dalej w kosmiczną przeszłość. Ale kwazary mają w swoich centrach supermasywne czarne dziury o masach ponad miliard mas Słońca. Na te gęste i masywne obiekty spływają duże ilości gazu z ich galaktycznego otoczenia. Na skutek działania sił tarcia gaz ten nagrzewa się tak mocno, że promieniuje niezwykle jasno – także w najwyższych energiach. Ale jak powstały pierwsze supermasywne czarne dziury?
Okazuje się, że pierwsze kwazary istniały już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Pojawia się jednak pytanie o to, jak ich czarne dziury mogą urosnąć do aż tak dużych mas w krótkim okresie po pojawieniu się pierwszych gwiazd. To jedna z największych zagadek współczesnej astronomii.
Warto dodać, że galaktyki macierzyste tych kwazarów tworzą nowe gwiazdy w szybkim tempie – około 100 razy wyższym niż w przypadku naszej Drogi Mlecznej i innych pobliskich galaktyk. Symulacje komputerowe takie jak Illustris TNG pozwalają astronomom założyć, że ogromne ilości gazu pochodzące z ośrodka międzygalaktycznego są w ciągłym przepływie w taki sposób, że galaktyki macierzyste młodych kwazarów powinny być otoczone dużymi obłokami wodoru. Wcześniej zbadano jednak pod tym kątem tylko garść kwazarów. W artykule opublikowanym na początku tego roku grupa naukowców z zespołu Alyssy Drake z Instytutu Astronomii im. Maxa Plancka (MPIA) zmapowała znaczne ilości gazu wodorowego wokół czterech kolejnych odległych kwazarów.
Opierając się na wstępnych pracach Fabiana Waltera i Brama Venemansa (MPIA), Emanuele Paolo Farina z Max Planck Institute for Astrophysics zainicjował projekt REQUIEM (Reionization Epoch QUasar InvEstigation with MUSE). To przegląd nieba, w którym szuka się oznak występowania obłoków gazu wokół pierwszych kwazarów istniejących w epoce, gdy Wszechświat liczył sobie nie więcej niż miliard lat. Ocena pierwszych 31 badanych w ten sposób obiektów doprowadziła do wykrycia 12 rozciągłych i zaskakująco gęstych obłoków wodoru. Wszystkie z nich otaczają galaktyki macierzyste i są z nimi związane grawitacyjnie. Ilość gazu jest w nich wystarczająca do zasilania aktywności centrów kwazarów i wyzwalania zwiększonej produkcji nowych gwiazd – w szybkim tempie.
Astronomowie odkryli te obłoki wodoru dzięki ich charakterystycznemu świeceniu w świetle ultrafioletowym. Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem świecenia tego gazu jest mechanizm fluorescencji – mówi Farina. Wodór przekształca wysokoenergetyczne promieniowanie kwazara w światło o określonej długości fali, co jest zauważalne jako jego migotanie. Biorąc pod uwagę dużą odległość i związane z tym kosmiczne przesunięcie ku czerwieni, ziemskie teleskopy postrzegają ów blask już jako mniej energetyczne światło czerwone.
Wykrycie w ten sposób obłoków wodoru było możliwe dzięki zastosowaniu spektrografu MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) na teleskopie Very Large Telescope Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w Chile. Oprócz przestrzennego rozkładu sygnału wodoru MUSE mierzy również prędkość obłoków gazu wzdłuż naszej linii widzenia. Na podstawie takich analiz naukowcy stwierdzili, że gaz ten może przepływać radialnie do samych centrów galaktyk, zasilając w ten sposób czarne dziury nowymi dużymi porcjami materii.
Możemy badać warunki panujące w początkach ewolucji pierwszych supermasywnych czarnych dziur i galaktyk dzięki tym nowym potężnym instrumentom. Opisane tu odkrycie jest ważnym krokiem w kierunku zrozumienia, w jaki sposób pierwotne czarne dziury znacząco urosły w ciągu kilkuset milionów lat od pojawienia się pierwszych gwiazd – wyjaśnia Farina. Dopiero zaczynamy badać, w jaki sposób pierwsze supermasywne czarne dziury rozwijały się tak szybko – zauważa Alyssa Drake, która również brała udział w badaniach. Ale nowe instrumenty, takie jak MUSE i przyszły Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, pomagają rozwiązać te ekscytujące zagadki.
Czytaj więcej:
- Oryginalny artykuł
- Praca naukowa: „The REQUIEM Survey. I. A Search for Extended Ly α Nebular Emission Around 31 z > 5.7 Quasars”, Emanuele Paolo Farina et al, „The Astrophysical Journal”, 2019
- Astronomers Detect Extremely Rare Triple Quasar
Źródło: Max Planck Institute for Astronomy
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Artystyczna wizualizacja obserwacji odległych kwazarów wczesnego Wszechświata. Światło uchwycone przez dzisiejsze teleskopy podróżowało do Ziemi przez 12,5 miliardów lat. Astronomowie badają więc te obiekty takimi, jakimi były zaledwie kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu. Badania wykazały, że jądra takich galaktyk otaczają obłoki gazu wodorowego. Źródło: MPIA Grafikabteilung.
