Czarne dziury istniały u zarania dziejów, rodziły gwiazdy i sprzyjały tworzeniu się galaktyk

Wszechświat jest pełen galaktyk, a wiele z nich zawiera supermasywne czarne dziury. To wywołało pytanie: co było pierwsze – galaktyki czy ich czarne dziury? Odpowiedź staje się bardzo jasna dzięki pierwszym rokom obserwacji przeprowadzonych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST). Czarne dziury istniały we Wszechświecie od najdawniejszych czasów, wraz z pierwszymi galaktykami. Pomogły także ukształtować kosmos, który obserwujemy dzisiaj.

Astronomowie mieli kiedyś hierarchiczny pogląd na to, jak rzeczy powstawały we wczesnym Wszechświecie. Myśleli, że jako pierwsze powstały najwcześniejsze gwiazdy, a następnie najwcześniejsze galaktyki. Potem pojawiły się czarne dziury i wygląda na to, że rosły bardzo szybko . Jednak obserwacje JWST wskazują na inną linię czasową: supermasywne czarne dziury istniały prawdopodobnie już w pierwszych „epokach” historii kosmosu. Przyspieszyły powstawanie nowych gwiazd we wczesnym Wszechświecie, nawet gdy rosły wraz ze swoimi galaktykami. Tak twierdzi Joseph Silk i zespół astronomów, którzy właśnie opublikowali analizę obrazów JWST i danych z pierwszego roku działania teleskopu. Sugerują, że czarne dziury i galaktyki współistniały i wpływały na siebie nawzajem w ciągu pierwszych 100 milionów lat kosmicznej egzystencji.

Wiemy, że te potworne czarne dziury istnieją w centrach galaktyk w pobliżu naszej Drogi Mlecznej, ale teraz wielką niespodzianką jest to, że były one obecne również na początku Wszechświata i były prawie jak cegiełki lub nasiona wczesnych galaktyk. Naprawdę wzmocnili wszystko, niczym gigantyczne wzmacniacze powstawania gwiazd, co stanowi całkowity zwrot w stosunku do tego, co wcześniej uważaliśmy za możliwe – do tego stopnia, że ​​może całkowicie zachwiać naszą wiedzą na temat powstawania galaktyk.powiedział Silk, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa oraz w Instytucie Astrofizyki w Paryżu, na Sorbonie.

Konwencjonalna mądrość na temat czarnych dziur i galaktyk

Przez dziesięciolecia astronomowie argumentowali, że pierwsze gwiezdne czarne dziury powstały, gdy życie najwcześniejszych supermasywnych gwiazd dobiegło końca. Gwiazdy te często charakteryzowano jako potwory i samotniki w młodym Wszechświecie. Żyły bardzo krótko i eksplodowały w wyniku niezwykle katastrofalnych supernowych, wyrzucając większość ich zewnętrznych warstw w przestrzeń kosmiczną. Pozostałe jądra zapadły się i utworzyły jedne z najwcześniejszych gwiazdowych czarnych dziur. Czarne dziury prawdopodobnie połączyły się i zgromadziły więcej materii, tworząc nasiona pierwszych supermasywnych w sercach galaktyk.

Jednocześnie konwencjonalna wiedza na temat galaktyk głosi, że powstały one w wyniku zapadnięcia się gigantycznych obłoków gazu. Potem nastąpiły fale powstawania gwiazd i prawdopodobnie więcej gwiazdowych czarnych dziur.

Czy JWST podważa aktualne teorie? Może, w pewnym sensie

Ta konwencjonalna mądrość nie jest całkowicie błędna. Nie wyjaśnia to jednak supermasywnych czarnych dziur, które istniały tak wcześnie w czasie kosmicznym – na długo przed tym, zanim powinny. To coś, nad czym astronomowie wciąż pracują, aby zrozumieć. Nie wyjaśnia to również, dlaczego niektóre bardzo wczesne galaktyki wyglądają tak cholernie jasno. Ale to tutaj swoją rolę odgrywają wczesne supermasywne czarne dziury. Silk twierdzi, że we wczesnych obłokach gazu działo się coś innego – coś niezwykłego. „Wielką niespodzianką jest to, że w środku tej chmury znajdowało się nasiono – wielka czarna dziura – które pomogło szybko przekształcić wewnętrzną część tego obłoku w gwiazdy w tempie znacznie większym, niż kiedykolwiek oczekiwaliśmy. I tak pierwsze galaktyki są niesamowicie jasne.”

Obserwacje JWST potwierdzają to odkrycie jasności. Teleskop dostrzegł odległe wczesne galaktyki, które wydają się znacznie jaśniejsze, niż oczekiwali astronomowie. Obserwacje pokazują także niezwykle dużą liczbę naprawdę jasnych gwiazd „dawno temu”, wraz z supermasywnymi czarnymi dziurami. Są znacznie masywniejsze jak na swój wiek, niż oczekiwano. Dzięki nim nasze spojrzenie na Wszechświat za pomocą JWST zmienia astronomię.

Co astronomowie myślą teraz o wczesnych czarnych dziurach?

Ponieważ czarne dziury są kluczem do zrozumienia tych wczesnych odkryć, przyjrzyjmy się, co oznacza ich wczesna obecność. Wydaje się, że być może wczesne galaktyki i ich supermasywne czarne dziury wyrosły razem w niemowlęcym wszechświecie. Chociaż te potwory dysponują niezwykle silnymi polami grawitacyjnymi, przed którymi nic nie jest w stanie uciec, supermasywne czarne dziury ogłaszają swoją obecność na inne sposoby. Mają niezwykle silne pola magnetyczne, które działają jak gigantyczne akceleratory cząstek. Często widzimy strumienie materii oddalające się od czarnych dziur, w dużym stopniu przyspieszane przez działanie tych pól magnetycznych. Dżety są jasne w różnych długościach fal, a cała ich aktywność rozjaśnia jądra galaktyk, w których żyją czarne dziury. Obserwuje się w nich także wyraźny wzrost formowania się gwiazd.

Nie jesteśmy w stanie zobaczyć tych gwałtownych wiatrów ani dżetów z bardzo, bardzo daleka, ale wiemy, że muszą być obecne, ponieważ widzimy wiele czarnych dziur na początku Wszechświata. Te ogromne wiatry pochodzące z czarnych dziur miażdżą pobliskie obłoki gazu i zamieniają je w gwiazdy. To brakujące ogniwo wyjaśniające, dlaczego te pierwsze galaktyki są o wiele jaśniejsze, niż się spodziewaliśmy.wyjaśnił Silk.

JWST dostrzega wszystko oprócz czarnych dziur i na podstawie swoich obserwacji Silk i jego zespół sugerują, że nowopowstały Wszechświat przeszedł przez dwie fazy. Na oba czarne dziury miały różny wpływ. Początkowo szybkie wypływy (dżety i wiatry) wpływały na otaczające obłoki gazu i przyspieszały tempo powstawania gwiazd. Następnie aktywność czarnej dziury uległa spowolnieniu, co wpłynęło na tempo powstawania gwiazd. Silk zauważył, że w rezultacie doszło do zmniejszenia ilości gazu potrzebnego do formowania się gwiazd w pierwszych galaktykach. Zatem jasne galaktyki obserwowane przez JWST powstały przy pomocy ich czarnych dziur.

Następne kroki

Obserwacje JWST pozostają kluczem do ustalenia, czy ta nowa dwufazowa koncepcja kosmicznej ewolucji sprawdzi się. Teleskop powinien zapewnić dokładną liczbę gwiazd i supermasywnych czarnych dziur w młodym Wszechświecie i powinien potwierdzić przewidywania Silka i jego zespołu.

Co więcej, historia nie kończy się na niemowlęcym Wszechświecie. Mamy do wyjaśnienia 13,5 miliarda lat kosmicznej ewolucji. A teraz, gdy powiązanie między wczesnymi czarnymi dziurami a galaktykami staje się coraz mocniejsze, nasuwają się pytania dotyczące supermasywnych w galaktykach, które widzimy dzisiaj.

Najważniejsze pytanie brzmi: jakie były nasze początki? Słońce to jedna gwiazda na 100 miliardów w Galaktyce Drogi Mlecznej, a pośrodku znajduje się również masywna czarna dziura. Jaki jest związek między nimi?” powiedział. „W ciągu roku będziemy mieli o wiele lepsze dane i na wiele naszych pytań zaczniemy szukać odpowiedzi.powiedział Silk.

Teleskop Horyzontu Zdarzeń przybliża dżet czarnej dziury

Chociaż supermasywne czarne dziury są powszechne w całym Wszechświecie, nie mamy wielu ich bezpośrednich zdjęć. Problem polega na tym, że chociaż mogą mieć masę milionów lub miliardów gwiazd, nawet najbliższe supermasywne czarne dziury mają pozornie niewielkie rozmiary. Jedyne bezpośrednie zdjęcia, jakie posiadamy, to M87* i Sag A*, a uchwycenie ich wymagało wirtualnego teleskopu wielkości Ziemi. Jednak wciąż jesteśmy na wczesnym etapie rozwoju Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT) i cały czas wprowadzane są ulepszenia wirtualnego teleskopu. Oznacza to, że zaczynamy przyglądać się większej liczbie supermasywnych czarnych dziur.

Najnowsze obserwacje skupiają się na obszarze czarnej dziury znanej jako 3C 84, czyli Perseusz A. Jest to jasne radiowo źródło w galaktyce oddalonej o ponad 200 milionów lat świetlnych. Nawet najnowsza wersja EHT nie jest w stanie rozróżnić horyzontalnego blasku czarnej dziury, tak jak to zrobiliśmy w przypadku M87* i Sag A*, ale pozwala dostrzec jasny obszar otaczający czarną dziurę, gdzie pola magnetyczne są szczególnie intensywne.

Szeroki złożony widok NGC 1275 na wielu długościach fali. Źródło: Marie-Lou Gendron-Marsolais (Université de Montréal), Julie Hlavacek-Larrondo (Université de Montréal), Maxime Pivin Lapointe

Czarna dziura 3C 84 znajduje się w galaktyce NGC 1275, która jest częścią gromady Perseusza. Galaktyka jest nie tylko odległa, ale posiada również centralny obszar bogaty w pył, który okrywa czarną dziurę. Światło optyczne nie może przeniknąć przez ten region, ale światło radiowe tak. Teleskop Horyzontu Zdarzeń może także uchwycić polaryzację światła radiowego pochodzącego z tego obszaru. Jest to ważne, ponieważ naładowane cząstki znajdujące się w silnym polu magnetycznym emitują światło spolaryzowane. Mapując tę ​​polaryzację, astronomowie mogą badać pola magnetyczne.

Jednym z celów tej pracy jest sprawdzenie, jak supermasywne czarne dziury mogą generować potężne dżety wypływające z czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła. Pola magnetyczne są kluczowe. Gdy zjonizowana materia wpada do czarnej dziury, może nieść ze sobą silne pola magnetyczne. Pola te mogą przylegać do dysku akrecyjnego czarnej dziury, co intensyfikuje pola w obszarze, w którym czarnej dziurze staje się trudno wychwycić więcej materii. Nazywa się to dyskiem zatrzymanym magnetycznie.

Jeden z pomysłów jest taki, że gdy magnetycznie zatrzymany dysk obraca się wokół czarnej dziury, linie pola magnetycznego stają się skręcone, zawijając się coraz mocniej i zatrzymując energię magnetyczną. Uwolnienie tej energii w wyniku ponownego ustawienia pola magnetycznego mogłoby spowodować powstawanie zjonizowanych dżetów. Chociaż nie zaobserwowano takiego ponownego ustawienia pola magnetycznego, to badanie pokazuje, że być może uda nam się uchwycić takie zdarzenie.

Astronomowie widzą 18 przykładów rozrywania gwiazd przez czarne dziury

Czarne dziury zawsze mnie fascynowały, odkąd byłem maniakiem patrzącym w gwiazdy. Ich intensywne siły przypominają science fiction i mogą rozerwać gwiazdę na kawałki. Proces ten jest gwałtowny i może wysyłać wybuchy promieniowania elektromagnetycznego w cały kosmos. Niedawno opublikowany artykuł ogłasza odkrycie 18 nowych zdarzeń pływowych podobnych do tego, podwajających liczbę zidentyfikowanych rozdrobnionych gwiazd.

Czarne dziury to pozostałości po masywnych gwiazdach, które osiągnęły kres swojego życia. Przez większą część życia gwiazd w grę wchodzą dwie siły; grawitacja próbująca zapaść gwiazdę i siła termojądrowa próbująca rozerwać gwiazdę na kawałki. Kiedy masywne gwiazdy dobiegają kresu swojego życia, grawitacja pokonuje siłę termojądrową i rdzeń zapada się, co prowadzi do powstania czarnej dziury. Intensywna grawitacja czarnej dziury może mieć ogromny wpływ na otaczającą przestrzeń, nie tylko zakrzywiając przestrzeń i czas, ale także rozrywając wszelkie obiekty, które zbliżą się zbyt blisko.

W artykule, którego autorką jest Megan Masterson i zespół z MIT, ukazał się w Astrophysical Journal i ogłoszono odkrycie 18 nowych gwiezdnych cmentarzysk, w których gwiazdy zostały rozerwane przez ekstremalną grawitację czarnej dziury. Zdarzenie, znane bardziej jako zdarzenie zakłócające pływy (ang. Tidal Disruption Event, w skrócie TDE), powoduje wyzwolenie wybuchu energii w całym spektrum elektromagnetycznym i na to właśnie polował zespół.

Wcześniej zdarzenia te wykrywano poprzez obserwacje w zakresie promieniowania wizualnego i rentgenowskiego, co doprowadziło do odkrycia 12 zdarzeń TDE. Zespół MIT zrobił jednak coś bardziej niezwykłego: zamiast tego znalazł zdarzenia, wyszukując sygnały w podczerwieni. Za każdym razem, gdy gwiazda zostaje rozerwana przez czarną dziurę, rozbłyski promieniowania rozchodzą się we wszystkich kierunkach oraz w galaktykach zapylonych, energia może zostać pochłonięta przez pył, powodując jego ogrzanie. Gdy pył się nagrzewa, emituje promieniowanie podczerwone, które posłużyło jako sygnał wbudowanego, niewidocznego TDE.

Następnie zespół przeszukał dane historyczne, analizując obserwacje w podczerwieni i odkrył najbliższe jak dotąd TDE w galaktyce NGC7392 w odległości 137 milionów lat świetlnych. Kontynuowali przeglądanie archiwalnych danych w podczerwieni z NASA Wide Field Infrared Survey Explorer, która od 2009 roku poszukuje przejściowych zdarzeń w podczerwieni. Kiedy zauważyli podejrzenie TDE, porównali obiekt z katalogiem wszystkich znanych pobliskich galaktyk w promieniu 600 milionów światła lata. Wykryli około 1000 zdarzeń i prześledzili galaktyki macierzyste.

NEOWISE na polowaniu. Źródło: NASA/JPL

Następnie zbadano źródło rozbłysku, aby sprawdzić, czy było to coś innego, na przykład rozbłysk promieniowania z aktywnych jąder galaktycznych, czy może eksplozja supernowej. Po ich wykluczeniu przeanalizowali sygnały, szukając charakterystycznych oznak TDE – ostrego wzrostu, po którym nastąpił stopniowy spadek.

Wydaje się, że polowanie na TDE w podczerwieni okazało się niezwykle skuteczne, ponieważ nie tylko pozwoliło na lepsze zrozumienie procesu prowadzącego do ich powstawania, ale także umożliwiło opracowanie nowych technik pomagających w ich identyfikacji.

Nawet wczesne galaktyki rosły ramię w ramię ze swoimi supermasywnymi czarnymi dziurami

W niemal każdej galaktyce znajduje się supermasywna czarna dziura. To samo w sobie implikuje pewien rodzaj formującego połączenia między nimi. Zaobserwowaliśmy również, jak gaz i pył w galaktyce mogą napędzać wzrost galaktycznych czarnych dziur oraz jak dynamika czarnych dziur może zarówno napędzać powstawanie gwiazd, jak i utrudniać je, w zależności od tego, jak aktywna jest czarna dziura. Jednak obszarem, w którym astronomowie wciąż mają niewiele informacji, są interakcje galaktyk i ich czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Czy czarne dziury napędzały powstawanie galaktyk, czy może wczesne galaktyki napędzały rozwój czarnych dziur? Niedawne badania sugerują, że te dwa gatunki ewoluowały ramię w ramię.

Trudno jest obserwować złożoną dynamikę czarnych dziur i galaktyk we wczesnym kosmosie, ale jednym ze sposobów ich badania jest porównanie masy galaktycznej czarnej dziury z masą wszystkich gwiazd w jej galaktyce. Można to wyrazić jako stosunek M BH / M * , aby zobaczyć, jak zmienia się w czasie. Oznacza to pomiar tego stosunku przy stale rosnących przesunięciach ku czerwieni, ponieważ im większe przesunięcie ku czerwieni, tym młodsza jest galaktyka.

Na potrzeby tego badania zespół przyjrzał się 61 galaktykom z aktywnymi jądrami galaktycznymi (AGN), zidentyfikowanymi na podstawie obserwacji rentgenowskich. Jasność AGN daje nam wyobrażenie o masie czarnej dziury. Następnie dodali obserwacje JWST tych galaktyk z przeglądów COSMOS-Web i PRIMER. Na tej podstawie mogli uzyskać jasność galaktyk w podczerwieni, co pozwoliło im określić ich całkowitą masę gwiazd.

Stosunki masowe tego badania (czerwone kropki) w porównaniu do wcześniejszych badań. Źródło: Tanaka i in

Zaobserwowane przez nich galaktyki mają przesunięcie ku czerwieni pomiędzy z = 0,7 a z = 2,5, co oznacza, że ​​galaktyki są widoczne takimi, jakie były od 6 do 11 miliardów lat temu. Odkryli, że galaktyki i ich czarne dziury rosną ramię w ramię. Wraz ze wzrostem masy galaktyki zwiększa się także czarna dziura. Zależność jest z grubsza liniowa, chociaż stosunek nieznacznie faworyzuje czarną dziurę przy wyższych przesunięciach ku czerwieni. W przypadku maniaków matematyki zespół odkrył, że stosunek zmienia się jako M BH /M * = (1 + z) 0,37 . Oznacza to, że czarne dziury rosną nieco wolniej niż galaktyki.

Niestety niepewność tego wyniku jest dość duża. Aby dokładniej określić zależność, potrzeba więcej obserwacji, szczególnie na końcu wyższego przesunięcia ku czerwieni. Jednak w nadchodzących latach astronomowie powinni być w stanie zebrać te dane. Badanie to pokazuje, że galaktyki i ich czarne dziury rosną w podobnym tempie na przestrzeni miliardów lat. Przyszłe badania pomogą nam zrozumieć bardziej subtelne powiązania między nimi.