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.

Nowy obraz Webba przedstawiający masywny kompleks formowania się gwiazd

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba , będący efektem współpracy NASA, ESA i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej (CSA), ujawnił kilka nowych, oszałamiających zdjęć Wszechświata. Obrazy te to nie tylko najczystsze i najbardziej szczegółowe widoki kosmosu; doprowadziły także do nowego spojrzenia na zjawiska kosmologiczne. Najnowsze zdjęcie, uzyskane za pomocą instrumentu Mid-InfraRed Instrument (MIRI) Webba , przedstawia mgławicę gwiazdotwórczą N79 , położoną około 160 000 lat świetlnych od nas w Wielkim Obłoku Magellana (LMC). Zdjęcie przedstawia jasną młodą gwiazdę oraz świecące obłoki pyłu i gazu mgławicy, z których powstają nowe gwiazdy.

Powyższe zdjęcie skupia się na jednym z trzech gigantycznych kompleksów obłoków molekularnych – nazwanych N79 South (S1) – regionie zdominowanym przez międzygwiazdowy wodór atomowy, który jest zjonizowany. Gwiazdę można rozpoznać jako najjaśniejszy punkt na zdjęciu, otoczony sześcioma dużymi szprychami światła przecinającymi obraz. Przetworzony obraz wykorzystuje wiele różnych kolorów, aby wskazać różne długości fal podczerwieni, przy czym światło bliskiej podczerwieni (7,7–10 mikronów) jest pokazane na niebiesko, podczas gdy długości fal średniej podczerwieni (10, 15 i 21 mikronów) są pokazane w kolorze cyjan, żółtym i czerwony (odpowiednio).

Ta mgławica N79 rozciąga się na ponad 500 parseków (1630 lat świetlnych) w w dużej mierze niezbadanym południowo-zachodnim regionie LMC i często jest uważana za młodszą siostrę Mgławicy Tarantula ( znanej również jako 30 Doradus). Mgławica ta została niedawno sfotografowana przez Webba (patrz wyżej), gdzie połączone światło pochodzące z różnych długości fal stworzyło szczegółowy obraz ujawniający wiele interesujących obiektów (takich jak obszary gwiazdotwórcze, których astronomowie nie spodziewali się znaleźć). Jednakże badania sugerują, że przez ostatnie 500 000 lat N79 miała wydajność tworzenia gwiazd ponad dwukrotnie większą niż Mgławica Tarantula.

Mgławica Tarantula widziana przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Źródło: Zespół produkcyjny NASA/ESA/CSA/STScI/Webb ERO.

W obłoku można zobaczyć kilka innych jasnych obiektów, którymi są gwiazdy we wczesnych stadiach formowania (tzw. protogwiazdy), pokazane bardzo szczegółowo jako warstwy kolorowych pasm. Dzięki zdolności Webba do wychwytywania dłuższych i krótszych fal światła podczerwonego, najnowsze zdjęcie zapewnia wgląd w obszary powstawania gwiazd w mgławicy. Ponieważ krótsze fale są pochłaniane lub rozpraszane przez ziarna pyłu, światło średniej podczerwieni ujawnia, co dzieje się głębiej wewnątrz obłoków (w tym niektórych młodych protogwiazd). Zdjęcie pokazuje wyraźny wzór „rozbłysku gwiazd” otaczający jasny obiekt.

Nazywa się to „skokiem dyfrakcyjnym” – artefaktem widocznym tylko wokół bardzo jasnych i zwartych obiektów, wynikającym z konstrukcji zwierciadeł teleskopu. W tym przypadku sześć kolców dyfrakcyjnych wystających ze środka wynika z sześciokątnej symetrii osiemnastu segmentów zwierciadła głównego Webba. Astronomowie są szczególnie zainteresowani obszarami gwiazdotwórczymi, ponieważ ich skład chemiczny przypomina mgławice obserwowane, gdy Wszechświat miał zaledwie kilka miliardów lat.

W przeciwieństwie do dzisiejszych mgławic w Drodze Mlecznej, w tym czasie formowanie się gwiazd osiągnęło swój szczyt, tworząc szczególnie masywne gwiazdy o niskim stężeniu metalu i krótkotrwałe według obecnych standardów. Wykonując szczegółowe zdjęcia N79 i podobnych mgławic, astronomowie mogą porównać tempo powstawania gwiazd z głębokimi obserwacjami odległych galaktyk we wczesnym Wszechświecie.

Te najnowsze obserwacje Webba stanowią część programu mającego na celu badanie ewolucji dysków i otoczek okołogwiazdowych w procesie formowania się gwiazd w szerokim zakresie mas i etapów ewolucji. Czułość Webba umożliwi astronomom po raz pierwszy wykrycie dysków tworzących planety wokół gwiazd o masie podobnej do masy naszego Słońca i w odległościach porównywalnych z LMC (około 160 000 lat świetlnych). Rzuci to światło na sposób powstawania i ewolucji układów planetarnych takich jak nasz, potencjalnie dostarczając wskazówek na temat tego, gdzie w naszej galaktyce mogło pojawić się życie.

Webb oszałamia nowym spojrzeniem na eksplodującą gwiazdę w wysokiej rozdzielczości

Widok Cas A z kamery Webba NIRCam (Near-Infrared Camera) pokazuje tę gwiezdną eksplozję w rozdzielczości wcześniej nieosiągalnej na tych długościach fal. Widok w wysokiej rozdzielczości ujawnia zawiłe szczegóły rozszerzającej się skorupy materii uderzającej w gaz wyrzucony przez gwiazdę przed jej eksplozją. Cas A jest jedną z najlepiej zbadanych pozostałości po supernowej w całym kosmosie. Przez lata naziemne i kosmiczne obserwatoria, w tym należące do NASA Obserwatorium Rentgenowskie Chandra, Kosmiczny Teleskop Hubble’a i emerytowany Kosmiczny Teleskop Spitzera, zebrały obraz pozostałości obiektu na wielu długościach fal. Jednak astronomowie wkroczyli teraz w nową erę w badaniach Cas A. W kwietniu 2023 r. instrument MIRI (Mid-Infrared Instrument) Webba rozpoczął ten rozdział, ujawniając nowe i nieoczekiwane cechy w wewnętrznej powłoce pozostałości supernowej. Wiele z tych cech jest niewidocznych na nowym obrazie NIRCam, a astronomowie badają, dlaczego tak się dzieje.

Jak odłamki szkła

Światło podczerwone jest niewidoczne dla naszych oczu, więc procesory obrazu i naukowcy tłumaczą te długości fal światła na widoczne kolory. Na najnowszym zdjęciu Cas A kolory zostały przypisane do różnych filtrów z NIRCam, a każdy z tych kolorów wskazuje na inną aktywność zachodzącą wewnątrz obiektu. Na pierwszy rzut oka obraz NIRCam może wydawać się mniej kolorowy niż obraz MIRI. Wynika to jednak po prostu z długości fal, w których materiał obiektu emituje światło.

Najbardziej zauważalnymi kolorami na najnowszym obrazie Webba są kępki reprezentowane w jasnym pomarańczowym i jasnoróżowym kolorze, które tworzą wewnętrzną powłokę pozostałości supernowej. Ostry jak brzytwa obraz Webba może wykryć najmniejsze węzły gazu, składające się z siarki, tlenu, argonu i neonu pochodzącego z samej gwiazdy. W gazie tym osadzona jest mieszanina pyłu i cząsteczek, które ostatecznie staną się składnikami nowych gwiazd i układów planetarnych. Niektóre włókna pyłu są zbyt małe, aby mogły zostać dostrzeżone nawet przez Webba, co oznacza, że ich średnica jest porównywalna lub mniejsza niż 10 miliardów kilometrów (około 100 jednostek astronomicznych). Dla porównania, cały Cas A rozciąga się na 10 lat świetlnych, czyli 60 bilionów mil.

Dzięki rozdzielczości NIRCam możemy teraz zobaczyć, jak umierająca gwiazda absolutnie rozpadła się podczas wybuchu, pozostawiając za sobą włókna przypominające maleńkie odłamki szkła. To naprawdę niewiarygodne, że po tylu latach badań Cas A udało nam się rozwiązać te szczegóły, które zapewniają nam przełomowy wgląd w to, jak ta gwiazda eksplodowała.powiedział Danny Milisavljevic z Purdue University, który kieruje zespołem badawczym.

Ukryty zielony potwór

Porównując nowy widok Cas A w bliskiej podczerwieni Webba z widokiem w średniej podczerwieni, jego wewnętrzna wnęka i najbardziej zewnętrzna powłoka są dziwnie pozbawione koloru. Obrzeża głównej wewnętrznej powłoki, które na obrazie MIRI miały kolor głębokiej pomarańczy i czerwieni, wyglądają teraz jak dym z ogniska. Oznacza to miejsce, w którym fala uderzeniowa supernowej wbija się w otaczającą materię okołogwiazdową. Pył w materiale okołogwiazdowym jest zbyt chłodny, aby można go było wykryć bezpośrednio w bliskiej podczerwieni, ale świeci w średniej podczerwieni. Naukowcy twierdzą, że biały kolor to światło promieniowania synchrotronowego, które jest emitowane w całym spektrum elektromagnetycznym, w tym w bliskiej podczerwieni. Jest ono generowane przez naładowane cząstki poruszające się z bardzo dużymi prędkościami wokół linii pola magnetycznego. Promieniowanie synchrotronowe jest również widoczne w bąbelkowych powłokach w dolnej połowie wewnętrznej wnęki. Niewidoczna w widoku w bliskiej podczerwieni jest również pętla zielonego światła w centralnej wnęce Cas A, która świeciła w średniej podczerwieni, nazwana przez zespół badawczy Zielonym Potworem. Ta cecha została opisana jako “trudna do zrozumienia” przez naukowców w czasie ich pierwszego spojrzenia.

Podczas gdy “zieleń” Zielonego Potwora nie jest widoczna w NIRCam, to, co pozostało w bliskiej podczerwieni w tym regionie, może zapewnić wgląd w tajemniczą cechę. Okrągłe dziury widoczne na obrazie MIRI są słabo zarysowane białą i fioletową emisją na obrazie NIRCam – reprezentuje to zjonizowany gaz. Naukowcy uważają, że jest to spowodowane przepychaniem się szczątków supernowej i rzeźbieniem gazu pozostawionego przez gwiazdę przed jej wybuchem.

Mała Cas A

Naukowcy byli również absolutnie oszołomieni jedną fascynującą cechą w prawym dolnym rogu pola widzenia NIRCam. Nazwali tę dużą, prążkowaną plamę Baby Cas A – ponieważ wygląda jak potomstwo głównej supernowej. Jest to echo świetlne, w którym światło z dawnej eksplozji gwiazdy dotarło i ogrzewa odległy pył, który świeci, gdy się ochładza. Zawiłość wzoru pyłu i pozorna bliskość Baby Cas A do samej Cas A są szczególnie intrygujące dla naukowców. W rzeczywistości Baby Cas A znajduje się około 170 lat świetlnych za pozostałością po supernowej. Istnieje również kilka innych, mniejszych ech świetlnych rozproszonych na nowym portrecie Webba. Pozostałość po supernowej Cas A znajduje się w odległości 11 000 lat świetlnych w gwiazdozbiorze Kasjopei. Szacuje się, że wybuchła około 340 lat temu z naszego punktu widzenia.

JWST ujawnia dyski protoplanetarne w pobliskiej gromadzie gwiazd

Mgławica Oriona jest ulubionym obiektem wśród obserwatorów gwiazd, z pewnością jednym z moich. Jest to gigantyczna mgławica gwiezdna, z której formują się gorące, młode gwiazdy. Z teleskopowego punktu widzenia jawi się ona jako szaro-zielona mgiełka, ale kamery ujawniają prawdziwą chwałę tych gwiazdotwórczych regionów. Słońce było kiedyś częścią takiego obiektu, a astronomowie od dziesięcioleci zgłębiają jego tajemnice. Teraz nowy artykuł przedstawia wyniki szczegółowego badania przeprowadzonego przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), który badał dyski formujące planety wokół gwiazd w Mgławicy Homara.

Koncepcja, zgodnie z którą mgławica gwiezdna zapada się, tworząc gwiazdę, została po raz pierwszy zaproponowana na początku XX wieku przez angielskiego astronoma Jamesa Jeansa. Od tego czasu opracowaliśmy model opisujący nie tylko narodziny gwiazd, ale także ich ewolucję i późniejszą śmierć. Proces ten opisuje, w jaki sposób gorącym młodym gwiazdom często towarzyszą dyski materiału z mgławicy, a te proto-planetarne dyski mogą zapadać się, tworząc planety.

Aby zrozumieć wszystkie aspekty powstawania układów planetarnych, ważne jest, aby badać je w ich zróżnicowanych środowiskach, niestety układy te nie są zbyt powszechne i często są przesłonięte przez pył, co powoduje trudności obserwacyjne. Wiele młodych układów planetarnych powstaje w miejscach o wysokim poziomie promieniowania UV, zwłaszcza w regionach formowania masywnych gwiazd, takich jak 6357.

Atacama Large Millimeter Array dysku planetarnego wokół HL Tauri (Źródło: ALMA)

Doskonałym przykładem gwiezdnego żłobka jest Mgławica Homar, znana pod mniej chwytliwą nazwą NGC6357 (z Nowego Katalogu Ogólnego). Mgławica znajduje się w gwiazdozbiorze Skorpiona w odległości 6000 lat świetlnych – pamiętaj, że rok świetlny to miara odległości zdefiniowana przez odległość, jaką światło może pokonać w ciągu jednego roku. Łatwiej jest powiedzieć 6 000 lat świetlnych niż 57 000 000 000 000 000 km!

Zespół astronomów skierował JWST na NGC6357 w celu zbadania jej głębokiego wnętrza. W badanym obszarze znajduje się wiele masywnych gwiazd OB, w tym najmasywniejsze gwiazdy w Galaktyce. Zespół wybrał 15 dysków w trzech obszarach, mając nadzieję, że pomoże to zrozumieć wpływ środowiska na formowanie się planet. Zbadali dysk znany jako “XUE 1” i zbadali jego wewnętrzny dysk (w odległości 10 jednostek astronomicznych – 1 AU to średnia odległość między Słońcem a Księżycem). W swojej pracy donoszą o obfitości wody, tlenku węgla, cyjanowodoru i acetylenu w odległości do 1 jednostki astronomicznej – byłoby to niemożliwe bez JWST.

Odkrycia ujawniają, że woda i inne cząsteczki są obecne w wewnętrznych regionach dysku, gdzie mogą tworzyć się planety ziemskie. Jest to region, który jest prawdopodobnie jednym z najbardziej ekstremalnych środowisk w Galaktyce. Pokazuje to, że warunki do formowania się planet pozasłonecznych są równie prawdopodobne w regionach formowania się gwiazd o dużej masie, jak i o małej masie! Zespół zidentyfikował również, że wzrost ziaren pyłu rozpoczął się wraz z wykrytymi strukturami, które mogą ostatecznie prowadzić do powstania planet w układach o wieku 0,5 mir. Wygląda więc na to, że formowanie się planet może być już w toku lub nawet już nastąpiło pomimo ekstremalnego środowiska.