Galaktyka Virgil, widziana z czasów, gdy Wszechświat miał 800 milionów lat, okazała się domem wyjątkowo masywnej, szczelnie spowitej pyłem czarnej dziury. Odkrycie zmusza astronomów do przemyślenia scenariuszy wzrostu galaktyk i ich jąder.
Galaktyka Virgil została zaobserwowana w polu GOODS-S jako zwyczajny, młody obiekt emitujący linię Lyman alfa podczas epoki rejonizacji, z przesunięciem ku czerwieni około 6,64, czyli z czasów, gdy Wszechświat liczył zaledwie 800 milionów lat. Dopiero połączenie bardzo głębokich danych spektroskopowych z instrumentu NIRSpec z obrazami w średniej podczerwieni z instrumentu MIRI na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ujawniło, że w centrum tej niepozornej galaktyki kryje się aktywne jądro galaktyczne. Jego promieniowanie jest silnie przesłonięte przez pył, dlatego przy długościach fal odpowiadających ultrafioletowi i zakresowi optycznemu Virgil wygląda jak typowa galaktyka gwiazdotwórcza.
Virgil należy do nowej klasy obiektów odkrytych przez Webba, określanych mianem Little Red Dots (małe czerwone kropki) – niezwykle kompaktowych, bardzo czerwonych źródeł, które licznie pojawiają się już około 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a później niemal znikają z obserwowanego katalogu galaktyk. W przypadku Virgila ekstremalnie czerwony kolor w podczerwieni (m.in. bardzo duża różnica jasności między pasmami NIRCam i MIRI) wskazuje, że znaczną część energii wytwarza silnie zapylone aktywne jądro, a nie tylko młode gwiazdy. Analiza widma pokazuje jednocześnie, że widoczny gaz gwiazdotwórczy ma niską metaliczność, wysoką temperaturę elektronów i podwyższony parametr jonizacji, typowy dla galaktyk we wczesnym Wszechświecie.
Szczegółowe modelowanie rozkładu energii widmowej wskazuje, że emisja w średniej podczerwieni jest zdominowana przez rozgrzany pył otaczający rosnącą czarną dziurę, której masa jest wyraźnie nadmiarowa w stosunku do masy gwiazdowej galaktyki. Takie przerośnięte czarne dziury są poważnym wyzwaniem dla standardowych modeli, w których galaktyka i jej jądro rosną mniej więcej równolegle, a czarna dziura długo pozostaje stosunkowo lekka. Wyniki dla Virgila sugerują, że w wielu przypadkach to właśnie czarne dziury mogą wyprzedzać swoje galaktyki, bardzo szybko akumulując masę jeszcze w fazie intensywnego formowania gwiazd.
Autorzy pracy zwracają uwagę, że bez głębokich obserwacji MIRI Virgil zostałby sklasyfikowany jako całkowicie zwyczajna galaktyka gwiazdotwórcza, a jej aktywne jądro pozostałoby niewykryte. Tymczasem głębokość danych w pasmach 10–15 mikrometrów ujawniła stromy wzrost jasności w podczerwieni, typowy dla silnie przesłoniętych aktywnych jąder znanych wcześniej z badań galaktyk pyłowych w kosmicznym południu. To pokazuje, że w dotychczasowych przeglądach, opartych głównie na kamerze NIRCam, astronomowie mogą systematycznie przeoczać całe populacje zapylonych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie.
Jeśli takie obiekty jak Virgil są liczne, mogą istotnie zmieniać nasze rozumienie zarówno wzrostu supermasywnych czarnych dziur, jak i historii jonizacji kosmicznego gazu. Ukryte, energetyczne aktywne jądra mogły dokładać się do strumienia wysokoenergetycznego promieniowania w epoce kosmicznego świtu, obok masywnych, gorących gwiazd w młodych galaktykach. Dalsze, równie głębokie obserwacje MIRI w większych obszarach nieba pokażą, czy Virgil jest wyjątkowym przypadkiem, czy raczej pierwszym dobrze zbadanym przedstawicielem licznej, dotąd niewidocznej populacji.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- The monster hiding in plain sight: JWST reveals cosmic shapeshifter in the early universe
- Deciphering the Nature of Virgil: An Obscured Active Galactic Nucleus Lurking within an Apparently Normal Lyα Emitter during Cosmic Reionization
Źródło: Uniwersytet Arizony
Na ilustracji: obejmując niewielki fragment nieba, zajmujący mniej niż jedną dziesiątą tarczy Księżyca w pełni, słynny obraz „Ekstremalnie Głębokiego Pola Hubble'a” ujawnił tysiące galaktyk, w tym obiekty z początków Wszechświata. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba obserwował ten sam obszar przez trzy lata. Naukowcy z Uniwersytetu Alberty przybliżyli obraz galaktyki opisanej w tym badaniu (w ramce), sfotografowanej, gdy Wszechświat miał zaledwie 800 milionów lat. Zespół odkrył, że nawet w tak młodym wieku znajdowała się w niej supermasywna czarna dziura, spowita pyłem. Źródło: ESA/Webb, NASA i CSA, G. Östlin, PG Perez-Gonzalez, J. Melinder, współpraca JADES, M. Zamani (ESA/Webb).
