W pierwszym roku swojej pracy JWST odkrył dużą liczbę małych czerwonych punktów w odległym Wszechświecie, co może zmienić nasz sposób rozumienia powstawania supermasywnych czarnych dziur.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) w ciągu pierwszego roku swojej pracy dokonał jednego z najbardziej nieoczekiwanych odkryć: duża liczba słabych, małych czerwonych punktów w odległym Wszechświecie może zmienić sposób, w jaki rozumiemy genezę supermasywnych czarnych dziur. Badania prowadzone pod kierunkiem Jorryta Matthee, adiunkta astrofizyki w Instytucie Nauki i Technologii w Austrii (Institute of Science and Technology –ISTA), zostały opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”.
Obiekty te były nie do odróżnienia od normalnych galaktyk, gdy badacze obserwowali je za pomocą starszego Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (HST). Mimo że JWST nie został opracowany do tego konkretnego celu, pomógł nam ustalić, że słabe Małe Czerwone Kropki – znalezione bardzo daleko w odległej przeszłości Wszechświata – są mniejszymi wersjami supermasywnych czarnych dziur. Te szczególne obiekty mogą zmienić sposób, w jaki myślimy o genezie czarnych dziur – powiedział Jorryt Matthee. Zgodnie z obecnymi modelami niektóre supermasywne czarne dziury we Wszechświecie rosły jakby zbyt szybko. Jak więc powstały?
Kosmiczne punkty bez powrotu
Naukowcy przez długi czas uważali czarne dziury za matematyczną ciekawostkę, dopóki ich istnienie nie stało się coraz bardziej oczywiste. Mogą mieć one tak zwartą masę i tak silną grawitację, że nic nie może uciec przed ich siłą przyciągania – zasysają wszystko, łącznie z kosmicznym pyłem, planetami i gwiazdami, deformują przestrzeń i czas wokół siebie w taki sposób, że nawet światło nie jest w stanie uciec. Ogólna teoria względności, sformułowana przez Einsteina ponad sto lat temu, przewidywała, że czarne dziury mogą mieć dowolną masę. Jednymi z najbardziej intrygujących czarnych dziur są supermasywne czarne dziury (supermassive black holes – SMBH), które mogą osiągać masę miliony do miliardów razy większą od masy Słońca. Astrofizycy zgadzają się, że w centrum niemal każdej dużej galaktyki znajduje się SMBH. Badacze, którzy uzyskali dowód na to, że Sagittarius A* jest SMBH w centrum naszej Galaktyki o masie ponad cztery miliony razy większej niż masa Słońca, otrzymali Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2020 roku.
Zbyt masywne, by tam być
Jednak nie wszystkie SMBH są takie same. Podczas gdy Sagittariusa A* można porównać do śpiącego wulkanu, niektóre SMBH rosną niezwykle szybko, pochłaniając – nomen omen – astronomiczne ilości masy. W ten sposób stają się tak jasne, że można je obserwować aż do krawędzi stale rozszerzającego się Wszechświata. Nazywane są kwazarami i należą do najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie. Jednym z problemów związanych z kwazarami jest to, że niektóre z nich wydają się być zbyt masywne, zbyt masywne biorąc pod uwagę wiek Wszechświata, w którym są obserwowane. Nazywamy je „problematycznymi kwazarami” – powiedział Matthee. Jeżeli weźmiemy pod uwagę, że kwazary powstają w wyniku eksplozji masywnej gwiazdy – i że znamy ich maksymalne tempo wzrostu na podstawie ogólnych praw fizyki – niektóre z nich wyglądają, jakby rosły szybciej, niż jest to według nas możliwe. To tak, jakby pięcioletnie dziecko miało dwa metry wzrostu. Coś się nie zgadza – wyjaśnia. Czy SMBH mogą rosnąć jeszcze szybciej niż pierwotnie sądziliśmy? A może formują się inaczej?
Małe wersje olbrzymich kosmicznych potworów
Teraz Matthee i jego zespół zidentyfikowali klasę obiektów, które pojawiają się jako małe czerwone kropki na obrazach uzyskanych dzięki JWST. Wykazali również, że obiekty te to SMBH, które jednak nie są zbyt masywne. Kluczowe znaczenie w ustaleniu, że obiekty te są SMBH, miało wykrycie widmowych linii emisyjnych Hα o szerokich profilach liniowych. Linie Hα to linie widmowe w głęboko czerwonym obszarze światła widzialnego emitowane, gdy atomy wodoru są podgrzewane. Szerokość widma odzwierciedla ruch gazu. Im szersza podstawa linii Hα, tym większa prędkość gazu. W ten sposób widma te mówią nam, że patrzymy na bardzo mały obłok gazu, który porusza się niezwykle szybko i krąży wokół czegoś bardzo masywnego, jak SMBH – powiedział Matthee. Małe czerwone kropki nie są jednak olbrzymimi kosmicznymi potworami, jakie można znaleźć w zbyt masywnych SMBH. Podczas gdy „problematyczne kwazary” są niebieskie, niezwykle jasne i osiągają masę miliardy razy większą od masy Słońca, małe czerwone kropki są bardziej jak „dziecięce kwazary”. Ich masy mieszczą się w przedziale od dziesięciu do stu milionów mas Słońca. Ponadto wydają się czerwone, ponieważ są zapylone. Pył przesłania czarne dziury i zaczerwienia kolory – powiedział Matthee. Ostatecznie jednak wypływ gazu z czarnych dziur przebije kokon pyłowy i z tych małych czerwonych kropek wyewoluują olbrzymy. Astrofizyk z ISTA i jego zespół sugerują więc, że małe czerwone kropki są mniejszymi, czerwonymi wersjami olbrzymich niebieskich SMBH w fazie poprzedzającej uformowanie się „problematycznych kwazarów”. Bardziej szczegółowe badanie małych wersji zbyt masywnych SMBH pozwoli nam lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają „problematyczne kwazary”.
„Przełomowa” technologia
Matthee i jego zespół odkryli „dziecięce kwazary” dzięki danym ze współpracy EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) i FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Programy te, w które zaangażowany był Matthee, stanowią duży i średni program JWST. W grudniu 2023 roku magazyn „Physics World” wymienił EIGER wśród 10 przełomów roku 2023. EIGER został zaprojektowany do badania rzadkich niebieskich supermasywnych kwazarów i ich otoczenia, a nie do znajdowania małych czerwonych kropek. Jednak znaleźliśmy je przypadkowo w tym zbiorze danych. Dzieje się tak dlatego, że wykorzystując kamerę bliskiej podczerwieni JWST, EIGER pozyskuje widma emisyjne wszystkich obiektów we Wszechświecie – powiedział Matthee. Jeżeli podniesiemy palec wskazujący i całkowicie wyciągniemy rękę, obszar nocnego nieba, który zbadaliśmy, odpowiada mniej więcej 1/20 powierzchni paznokcia. Jak dotąd prawdopodobnie jedynie zarysowaliśmy powierzchnię.
Matthee jest przekonany, że omawiane odkrycie otworzy wiele możliwości i pomoże odpowiedzieć na niektóre z najważniejszych pytań dotyczących Wszechświata. Czarne dziury i SMBH są prawdopodobnie najbardziej interesującymi obiektami we Wszechświecie. Trudno wyjaśnić, dlaczego tam są, ale są. Mamy nadzieję, że nasza praca pomoże nam uchylić rąbka jednej z największych tajemnic dotyczących Wszechświata – podsumował.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Baby Quasars: Growing Supermassive Black Holes
- Little Red Dots: An Abundant Population of Faint Active Galactic Nuclei at z ∼ 5 Revealed by the EIGER and FRESCO JWST Surveys
Źródło: ISTA
Na ilustracji: Olbrzymi kwazar i małe czerwone kropki. Obraz EIGER JWST świecącego kwazara J1148+5251, niezwykle rzadkiej aktywnej SMBH o masie 10 miliardów mas Słońca (niebieska ramka). W tym samym zestawie danych widoczne są dwa „dziecięce kwazary” (czerwone pola). Źródło: NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH Zurich), D. Kashino (National Observatory of Japan), S. Lilly (ETH Zurich)
