Grupa astronomów wykryła soczewkowaną grawitacyjnie czerwoną supermasywną czarną dziurę analizując dane z JWST.
Analizując zdjęcia z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, grupa astronomów pod kierownictwem dr. Lukasa Furtaka i prof. Adi Zitrina w Uniwersytetu Ben-Guriona w Negew wykryła niezwykłą czerwoną, soczewkowaną grawitacyjnie supermasywną czarną dziurę we wczesnym Wszechświecie. Jej kolory sugerują, że czarna dziura znajduje się za grubą zasłoną pyłu, przesłaniającą większość jej światła. Zespół zdołał zmierzyć masę czarnej dziury i odkrył, że jest ona znacznie masywniejsza w porównaniu do galaktyki, w której się znajduje, niż to, co zaobserwowano w bardziej lokalnych przykładach. Odkrycie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature.
JWST, uruchomiony dwa lata temu, zrewolucjonizował nasze spojrzenie na wczesne formowanie się galaktyk. Doprowadziło to do wykrycia bardzo wczesnych galaktyk w większych ilościach i o większej jasności niż wcześniej przewidywano, a także ujawniło kilka nowych typów obiektów.
Grupa astronomów wykryła na zdjęciach JWST coś, co wydawało się być soczewkowanym, podobnym od kwazara obiektem z wczesnego Wszechświata. Kwazary to jasne aktywne jądra galaktyk: supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk, które aktywnie gromadzą materię.
Akrecja materii na czarną dziurę powoduje emisję dużej ilości promieniowania, które oświetla galaktykę macierzystą, nadając jej zwarty i jasny wygląd przypominający gwiazdę. Zdjęcia JWST, na których Furtak i Zitrin zidentyfikowali obiekt, zostały wykonane w ramach programu UNCOVER, który obrazował pole gromady galaktyk Abell 2744 na niezwykle głębokim poziomie. Ze względu na znaczną masę gromady, czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, co prowadzi do powstania soczewki grawitacyjnej. Soczewka ta powiększa galaktyki tła znajdujące się za nią, umożliwiając astronomom obserwację jeszcze bardziej odległych galaktyk niż byłoby to możliwe w innym przypadku.
Byliśmy bardzo podekscytowani, gdy JWST zaczął wysyłać swoje pierwsze dane. Skanowaliśmy dane, które dotarły do programu UNCOVER i trzy bardzo zwarte, ale zabarwione na czerwono obiekty wyraźnie się wyróżniały i przyciągnęły nasz wzrok – powiedział dr Lukas Furtak, główny autor artykułu. Ich wygląd „czerwonej kropki” natychmiast skłonił nas do podejrzeń, że jest to obiekt podobny do kwazara.
Furtak i grupa UNCOVER rozpoczęli badanie obiektu. Użyliśmy numerycznego modelu soczewkowania, który skonstruowaliśmy dla gromady galaktyk, aby ustalić, że trzy czerwone kropki musiały być wielokrotnymi obrazami tego samego źródła tła, widzianego, gdy Wszechświat miał zaledwie około 700 milionów lat – powiedział prof. Zitrin, jeden z głównych autorów pracy.
Analiza kolorów obiektu wskazała, że nie była to typowa galaktyka gwiazdotwórcza. To dodatkowo wspierało hipotezę supermasywnej czarnej dziury – powiedziała prof. Rachel Bezanson z Uniwersytetu w Pittsburgu i współprzewodnicząca programu UNCOVER. W połączeniu z niewielkimi rozmiarami, stało się oczywiste, że jest to prawdopodobnie supermasywna czarna dziura, chociaż nadal różniła się od innych kwazarów znalezionych w tamtych wczesnych czasach, dodała profesor. Odkrycie wyjątkowo czerwonego i zwartego obiektu zostało opublikowane w 2023 roku w Astrophysical Journal. Ale to był dopiero początek historii.
Następnie zespół uzyskał dane JWST/NIRSpec dotyczące trzech obrazów „czerwonej kropki” i przeanalizował je. Widma były po prostu oszałamiające, powiedział dr Ivo Labbé z Swinburne University of Technology i współprzewodniczący programu UNCOVER. Łącząc sygnał z trzech obrazów wraz z powiększeniem soczewkowania, uzyskane widmo odpowiada ~1700 godzinom obserwacji przez JWST na niesoczewkowanym obiekcie, co czyni go najgłębszym widmem uzyskanym przez JWST dla pojedynczego obiektu we wczesnym Wszechświecie – dodał profesor.
Korzystając z widm, udało nam się nie tylko potwierdzić, że czerwony zwarty obiekt był supermasywną czarną dziurą i zmierzyć jego dokładne przesunięcie ku czerwieni, ale także uzyskać solidne oszacowanie jego masy na podstawie szerokości jego linii emisyjnych – powiedział dr Futrak. Gaz krąży w polu grawitacyjnym czarnej dziury i osiąga bardzo duże prędkości, których nie obserwuje się w innych częściach galaktyk. Ze względu na przesunięcie dopplerowskie, światło emitowane przez akreującą materię jest przesunięte ku czerwieni z jednej strony i ku fioletowi z drugiej, zgodnie z jego prędkością. Powoduje to, że linie emisyjne w widmie stają się szersze.
Pomiar doprowadził jednak do kolejnej niespodzianki, opublikowanej dwa tygodnie temu: masa czarnej dziury wydaje się być zbyt wysoka w porównaniu do masy galaktyki macierzystej.
Całe światło tej galaktyki musi zmieścić się w niewielkim obszarze wielkości dzisiejszej gromady gwiazd. Powiększenie źródła za pomocą soczewkowania grawitacyjnego dało nam znakomite ograniczenia co do rozmiaru. Nawet upakowując wszystkie możliwe gwiazdy w tak małym obszarze, czarna dziura stanowi co najmniej 1% całkowitej masy układu – powiedziała prof. Jenny Green z Uniwersytetu Princeton i jedna z głównych autorek pracy. W rzeczywistości stwierdzono, że kilka supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie wykazuje podobne zachowanie, co prowadzi do intrygujących poglądów na temat wzrostu czarnej dziury i galaktyki macierzystej oraz wzajemnych relacji między nimi, które nie są dobrze poznane.
Astronomowie nie wiedzą, czy takie supermasywne czarne dziury powstają na przykład z pozostałości gwiazdowych, czy może z materii, która bezpośrednio zapadła się do czarnej dziury we wczesnym Wszechświecie.
W pewnym sensie jest to astrofizyczny odpowiednik problemu kury i jajka – powiedział prof. Zitrin. Obecnie nie wiemy, co było pierwsze – galaktyka czy czarna dziura, jak masywne były pierwsze czarne dziury i jak rosły.
Ponieważ JWST wykrył ostatnio znacznie więcej takich „małych czerwonych kropek” i innych aktywnych jąder galaktyk, miejmy nadzieję, że wkrótce będziemy mieli lepszy obraz sytuacji.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Astronomers detect an extremely red supermassive black hole in the early universe growing in the shadows
- A high black hole to host mass ratio in a lensed AGN in the early Universe
Źródło: Uniwersytet w Negew
Na ilustracji: Złożony kolorowy obraz gromady galaktyk Abell 2744 z JWST. Źródło: L. Furtak, A. Zitrin, I. Labbé, R. Bezanson oraz zespół UNCOVER, NASA/ESA/CSA JWST
