Današnje otkriće NASA-inog teleskopa James Webb (JWST) otkrilo je svjetleće, vrlo crvene objekte u ranom svemiru koji potkopavaju konvencionalna razmišljanja o nastanku i evoluciji galaksija i njihovih supermasivnih crnih rupa.

Međunarodni tim predvođen istraživačima sa Penn State-a, koristeći NIRSpec instrument na JWST-u kao dio RUBIES istraživanja, identificirao je tri tajanstvena objekta u ranom svemiru, oko 600-800 milijuna godina nakon Velikog praska, kada je svemir bio samo 5% svoje sadašnje starosti. Otkriće su objavili 27. lipnja u časopisu Astrophysical Journal Letters.

Tim je proučavao spektralne mjere, odnosno intenzitet različitih valnih duljina svjetlosti koje emitiraju objekti. Njihova analiza pronašla je potpise "starih" zvijezda, starih stotine milijuna godina, puno starijih nego što se očekivalo u mladom svemiru.

Istraživači su također bili iznenađeni otkrićem potpisa velikih supermasivnih crnih rupa u istim objektima, procjenjujući da su 100 do 1.000 puta masivnije od supermasivne crne rupe u našoj Mliječnoj stazi. Nijedno od ovih otkrića nije očekivano prema trenutnim modelima rasta galaksija i formiranja supermasivnih crnih rupa, koji očekuju da galaksije i njihove crne rupe rastu zajedno tijekom milijardi godina kozmičke povijesti.

„Potvrdili smo da su ovi objekti ispunjeni drevnim zvijezdama - stotinama milijuna godina starim - u svemiru starom samo 600-800 milijuna godina. Nevjerojatno, ovi objekti drže rekord za najranije potpise starog zvjezdanog svjetla," izjavila je Bingjie Wang, postdoktorantica na Penn State-u i glavna autorica rada. „Bilo je potpuno neočekivano pronaći stare zvijezde u vrlo mladom svemiru. Standardni modeli kozmologije i formiranja galaksija bili su nevjerojatno uspješni, ali ovi sjajni objekti se ne uklapaju u te teorije.“

Istraživači su prvi put uočili masivne objekte u srpnju 2022., kada je JWST objavio početni skup podataka. Tim je nekoliko mjeseci kasnije objavio rad u časopisu Nature, najavljujući postojanje objekata.

U to vrijeme, istraživači su sumnjali da su objekti galaksije, ali su nastavili s analizom spektra kako bi bolje razumjeli stvarne udaljenosti objekata, kao i izvore njihove ogromne svjetlosti.

Tim je potom koristio nove podatke kako bi nacrtao jasniju sliku o tome kako su galaksije izgledale i što se nalazilo unutar njih. Ne samo da su potvrdili da su objekti doista galaksije blizu početka vremena, već su također pronašli dokaze o iznenađujuće velikim supermasivnim crnim rupama i iznenađujuće staroj populaciji zvijezda.

„To je vrlo zbunjujuće,“ rekao je Joel Leja, izvanredni profesor astronomije i astrofizike na Penn State-u i koautor oba rada. „Možete ih neugodno uklopiti u naš trenutni model svemira, ali samo ako prizovemo neku egzotičnu, nevjerojatno brzu formaciju na početku vremena. Ovo je, bez sumnje, najneobičniji i najzanimljiviji skup objekata koje sam vidio u svojoj karijeri.“

JWST je opremljen instrumentima za detekciju infracrvene svjetlosti koji mogu otkriti svjetlost koju su emitirale najstarije zvijezde i galaksije. U suštini, teleskop omogućuje znanstvenicima da vide unazad otprilike 13,5 milijardi godina, blizu početka svemira kakvog poznajemo, rekao je Leja.

Jedan od izazova u analizi drevne svjetlosti je da može biti teško razlikovati vrste objekata koji su mogli emitirati svjetlost. U slučaju ovih ranih objekata, oni imaju jasne karakteristike i supermasivnih crnih rupa i starih zvijezda. Međutim, Wang je objasnila, još uvijek nije jasno koliko svjetlosti dolazi iz svakog izvora - što znači da bi to mogle biti rane galaksije koje su neočekivano stare i masivnije čak i od naše Mliječne staze, formirajući se puno ranije nego što modeli predviđaju, ili bi to mogle biti normalne galaksije s „previše masivnim“ crnim rupama, otprilike 100 do 1.000 puta masivnijim nego što bi takva galaksija imala danas.

„Razlikovanje svjetlosti koja dolazi od materijala koji pada u crnu rupu i svjetlosti koju emitiraju zvijezde u tim malim, udaljenim objektima je izazovno,“ rekla je Wang. „Ta nemogućnost razlikovanja u trenutnim podacima ostavlja puno prostora za interpretaciju ovih intrigantnih objekata. Iskreno, uzbudljivo je imati toliko toga za riješiti.“

Osim njihove neobjašnjive mase i starosti, ako dio svjetlosti doista dolazi iz supermasivnih crnih rupa, onda one također nisu normalne supermasivne crne rupe. Proizvode puno više ultraljubičastih fotona nego što se očekivalo, a slični objekti proučavani s drugim instrumentima nemaju karakteristične potpise supermasivnih crnih rupa, poput vruće prašine i jakog rendgenskog zračenja. Ali možda je najviše iznenađujuće koliko su masivne, rekli su istraživači.

„Normalno su supermasivne crne rupe uparene s galaksijama,“ rekao je Leja. „Rastu zajedno i prolaze kroz sve svoje glavne životne faze zajedno. Ali ovdje imamo potpuno formiranu odraslu crnu rupu unutar onoga što bi trebala biti dječja galaksija. To nema smisla, jer bi te stvari trebale rasti zajedno, ili barem tako smo mislili.“

Istraživači su također bili zbunjeni nevjerojatno malim veličinama tih sustava, samo nekoliko stotina svjetlosnih godina u promjeru, otprilike 1.000 puta manjim od naše Mliječne staze. Zvijezde su otprilike jednako brojne kao u našoj Mliječnoj stazi — s negdje između 10 milijardi i 1 trilijun zvijezda — ali sadržane unutar volumena 1.000 puta manjeg od Mliječne staze.

Leja je objasnio da ako biste uzeli Mliječnu stazu i komprimirali je na veličinu galaksija koje su pronašli, najbliža zvijezda bi gotovo bila u našem Sunčevom sustavu. Supermasivna crna rupa u središtu Mliječne staze, udaljena oko 26.000 svjetlosnih godina, bila bi udaljena samo oko 26 svjetlosnih godina od Zemlje i vidljiva na nebu kao divovski stup svjetlosti.

„Ove rane galaksije bile bi tako guste sa zvijezdama — zvijezdama koje su se morale formirati na način koji nikada nismo vidjeli, u uvjetima koje nikada ne bismo očekivali tijekom razdoblja u kojem ih nikada ne bismo očekivali vidjeti,“ rekao je Leja. „I iz bilo kojeg razloga, svemir je prestao stvarati takve objekte nakon samo nekoliko milijardi godina. Oni su jedinstveni za rani svemir.“

Istraživači se nadaju daljnjim opažanjima, za koja kažu da bi mogla pomoći objasniti neke od misterija tih objekata. Planiraju uzeti dublje spektre usmjeravajući teleskop prema objektima tijekom duljih vremenskih razdoblja, što će pomoći razlučiti emisiju od zvijezda i potencijalne supermasivne crne rupe identificiranjem specifičnih apsorpcijskih potpisa koji bi bili prisutni u svakom od njih.

„Postoji još jedan način na koji bismo mogli doći do proboja, a to je jednostavno prava ideja,“ rekao je Leja. „Imamo sve ove dijelove slagalice i oni se uklapaju samo ako ignoriramo činjenicu da su neki od njih slomljeni. Ovaj problem je pogodan za genijalni potez koji nam je dosad izmakao, svim našim suradnicima i cijeloj znanstvenoj zajednici.“

Wang i Leja su dobili financiranje od NASA-inog programa General Observers. Istraživanje je također podržano od strane Međunarodnog instituta za svemirske znanosti u Bernu. Rad se djelomično temelji na promatranjima napravljenim pomoću NASA/ESA/CSA teleskopa James Webb. Izračuni za istraživanje provedeni su na superračunalu Roar Instituta za računalne i podatkovne znanosti na Penn State-u.

Ostali koautori rada su Anna de Graaff iz Max-Planck-Instituta za astronomiju u Njemačkoj; Gabriel Brammer iz Cosmic Dawn Centra i Niels Bohr Instituta; Andrea Weibel i Pascal Oesch sa Sveučilišta u Ženevi; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum i Rohan Naidu sa Sveučilišta Yale; Ivo Labbé sa Stanforda; Jorryt Matthee i Jenny Greene sa Princetona; Ian McConachie i Rachel Bezanson sa Sveučilišta u Pittsburghu; Josephine Baggen sa Sveučilišta Texas A&M; Katherine Suess iz Observatoire de Sauverny u Švicarskoj; David Setton iz Kavli Instituta za astrofiziku i svemirska istraživanja pri MIT-u; Erica Nelson sa Sveučilišta Colorado; Christina Williams iz Nacionalnog optičko-infracrvenog astronomskog istraživačkog laboratorija američke Nacionalne zaklade za znanost i Sveučilišta Arizona.

Izvor: Pennsylvania State University