W jądrach znanych nam galaktyk znajdują się nienasycone supermasywne czarne dziury. Te potężne obiekty mogą „żywić się” gazem i gwiezdnymi szczątkami. Po takim kosmicznym posiłku generują krótki rozbłysk światła w postaci świecącego pierścienia. Powstaje on, gdy materia wiruje, opadając w kierunku czarnej dziury.
Kwazary, dla odmiany, mogą pochłaniać ogromne ilości materii w znacznie dłuższych okresach czasu. Tym samym mogą generować niezwykle jasny pierścień, który dodatkowo utrzymuje się przez bardzo długi czas. Pierścień ten jest tak jasny, że dzięki niemu kwazary są jednymi z najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie.
Jak dostrzec otoczenie kwazara
Ponieważ kwazary są tak jasne, przyćmiewają resztę galaktyki, w której się znajdują. Jednak zespół astronomów z Massachusetts Institute of Technology (MIT) był w stanie po raz pierwszy zaobserwować znacznie słabsze światło gwiazd w galaktykach macierzystych trzech starożytnych kwazarów.
Opierając się na tym trudnym do uchwycenia świetle gwiazd, naukowcy oszacowali masę każdej galaktyki macierzystej. Następnie porównali ją z masą jej centralnej supermasywnej czarnej dziury. Okazało się, że w przypadku badanych starych kwazarów, centralne czarne dziury były znacznie masywniejsze niż ich znane astronomii współczesne odpowiedniki.
Odkrycia, które zostały opublikowane w czasopiśmie „Astrophysical Journal”, mogą pomóc zrozumieć, w jaki sposób najwcześniejsze supermasywne czarne dziury stały się tak niezwykle masywne. Zwłaszcza, że miały stosunkowo krótki – w kosmicznej skali, rzecz jasna – czas wzrostu.
Co było pierwsze: czarna dziura czy galaktyka?
– Po powstaniu Wszechświata pojawiły się zalążkowe czarne dziury. Pochłaniając materię, rozrosły się w bardzo krótkim czasie – powiedział jeden z autorów badania Minghao Yue. To adiunkt w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli na MIT. – Jednym z najważniejszych pytań, na jakie chcemy znaleźć odpowiedź, jest to, w jaki sposób te monstrualne czarne dziury mogły rosnąć tak szybko i do takich rozmiarów – dodał naukowiec.
– Te czarne dziury są miliardy razy masywniejsze od Słońca, choć powstały w okresie, gdy Wszechświat był wciąż w powijakach – stwierdziła współautorka badania Anna-Christina Eilers, adiunkt fizyki na MIT. – Nasze wyniki sugerują, że we wczesnym Wszechświecie supermasywne czarne dziury mogły uzyskać swoją masę wcześniej niż ich galaktyki macierzyste. Zaś początkowe zalążki czarnych dziur mogły być bardziej masywne niż te obecnie obserwowane – dodała.
Czym są kwazary?
Tylko co z tym wszystkim mają wspólnego kwazary? Ekstremalna jasność kwazarów została zaobserwowana i zdefiniowana w latach 60. XX wieku, gdy astronomowie po raz pierwszy odkryli te kosmiczne obiekty. Założyli wówczas, że światło kwazara pochodzi z pojedynczego, podobnego do gwiazdy „źródła punktowego”. Naukowcy nazwali te obiekty kwazarami, czyli obiektami „quasi-gwiazdowymi”.
Od czasu tych pierwszych obserwacji naukowcy zdali sobie sprawę, że kwazary w rzeczywistości nie są pochodzenia gwiazdowego. Powstają wskutek wsysania materii do niezwykle potężnych i trwałych supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk. Opadanie rozproszonej materii na powierzchnię ciała niebieskiego w wyniku działania grawitacji to inaczej akrecja. W związku z tym procesem kwazary są bardzo jasne i przyćmiewają jasność otaczających je gwiazd.
Oddzielenie światła centralnej czarnej dziury kwazara od światła gwiazd galaktyki macierzystej było niezwykle trudne. Zadanie przypominało trochę dostrzeżenie świetlików poruszających się w pobliżu potężnego reflektora. Jednak sztuka ta udała się dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba (JWST). Był on w stanie zajrzeć dalej w przeszłość i z dużo większą czułością i rozdzielczością niż jakiekolwiek istniejące obserwatorium.
120 godzin obserwacji JWST
W swoich nowych badaniach Yue i Eilers wykorzystali przyznany im czas obserwacyjny na JWST na obserwację sześciu znanych, dawnych kwazarów. Robili to z przerwami od jesieni 2022 roku do następnej wiosny. W sumie zespół zebrał ponad 120 godzin obserwacji sześciu odległych obiektów.
– Kwazar przyćmiewa swoją galaktykę macierzystą o rzędy wielkości. Poprzednie zdjęcia nie były wystarczająco ostre, aby zobaczyć, jak wygląda galaktyka macierzysta ze wszystkimi jej gwiazdami – powiedział Yue. – Teraz po raz pierwszy jesteśmy w stanie ujawnić światło tych gwiazd poprzez bardzo dokładne modelowanie znacznie ostrzejszych zdjęć tych kwazarów wykonanych przez JWST.
Zespół dokonał przeglądu danych obrazowych zebranych przez JWST każdego z sześciu odległych kwazarów, których wiek oszacowano na około 13 miliardów lat. Dodajmy, że wiek Wszechświata ocenia się na 13,8 mld lat. Dane te obejmowały pomiary światła każdego kwazara na różnych długościach fali.
Naukowcy wprowadzili te dane do modelu określającego, ile tego światła prawdopodobnie pochodzi ze zwartego „źródła punktowego”, takiego jak dysk akrecyjny centralnej czarnej dziury. Porównano to z bardziej rozproszonym źródłem, takim jak światło z otaczających galaktykę macierzystą gwiazd.
Starożytne supermasywne czarne dziury
Dzięki temu modelowaniu zespół podzielił światło każdego kwazara na dwa składniki: światło z jasnego dysku centralnej czarnej dziury i światło z bardziej rozproszonych gwiazd galaktyki macierzystej. Ilość światła z obu źródeł jest odzwierciedleniem ich całkowitej masy. Naukowcy szacują, że dla tych kwazarów stosunek masy centralnej czarnej dziury do masy galaktyki macierzystej wynosił około 1:10.
Astronomowie zdali sobie sprawę, że stoi to w jaskrawym kontraście z dzisiejszym bilansem masy wynoszącym 1:1000. Oznacza to, że niedawno powstałe czarne są znacznie mniej masywne w porównaniu do swoich galaktyk macierzystych.
– Czy najpierw rośnie czarna dziura, a potem galaktyka ją dogania? A może to galaktyka i jej gwiazdy jako pierwsze rosną, a następnie dominują i regulują wzrost czarnej dziury? – zastanawiają się badacze. – Nasze obserwacje pokazały, że we wczesnym Wszechświecie czarne dziury mogły rosnąć szybciej niż ich galaktyki macierzyste. Jest to wstępny dowód na to, że początkowe zalążki czarnych dziur mogły być wtedy bardziej masywne.
