Astronomi na MIT-u primijetili su zvjezdanu svjetlost oko drevnih kvazara Opservacije sugeriraju da su neki od najranijih "čudovišnih" crnih rupa nastali iz masivnih kozmičkih sjemenki.

Astronomi sa Sveučilišta MIT zabilježili su neuhvatljivu zvjezdanu svjetlost koja okružuje neke od najranijih kvazara u svemiru. Ovi daleki signali, koji sežu više od 13 milijardi godina unatrag do dječje dobi svemira, otkrivaju tragove o evoluciji prvih crnih rupa i galaksija.

Kvazari su sjajna središta aktivnih galaksija, u kojima se nalazi nezasitna supermasivna crna rupa. Većina galaksija ima centralnu crnu rupu koja povremeno može konzumirati plin i zvjezdane ostatke, stvarajući kratkotrajan bljesak svjetlosti u obliku sjajnog prstena dok materijal kruži prema crnoj rupi.

Za razliku od toga, kvazari mogu konzumirati ogromne količine materije tijekom znatno dužih razdoblja, stvarajući izuzetno svijetli i dugotrajni prsten - zapravo toliko svijetli da su kvazari među najsvjetlijim objektima u svemiru.

Budući da su toliko svijetli, kvazari nadmašuju ostatak galaksije u kojoj se nalaze. No, tim s MIT-a je prvi put uspio opaziti mnogo slabiju svjetlost zvijezda u matičnim galaksijama triju drevnih kvazara.

Na temelju ove neuhvatljive zvjezdane svjetlosti, istraživači su procijenili masu svake matične galaksije u usporedbi s masom njezine centralne supermasivne crne rupe. Otkrili su da su za te kvazare centralne crne rupe bile znatno masivnije u odnosu na svoje matične galaksije, u usporedbi s njihovim suvremenim pandanima.

Rezultati, objavljeni danas u časopisu Astrophysical Journal, mogli bi osvijetliti kako su najranije supermasivne crne rupe postale tako masivne unatoč relativno kratkom kozmičkom vremenu u kojem su mogle rasti. Posebno, te prve čudovišne crne rupe mogle su potjecati iz masivnijih "sjemenki" nego što je to slučaj s modernijim crnim rupama.

"Nakon što je svemir nastao, postojale su sjemenke crnih rupa koje su zatim konzumirale materijal i rasle u vrlo kratkom vremenu", kaže autor studije Minghao Yue, postdoktorand na MIT-ovom Kavli institutu za astrofiziku i svemirska istraživanja. "Jedno od velikih pitanja je razumjeti kako su te čudovišne crne rupe mogle narasti tako velike, tako brzo."

"Te crne rupe su milijardama puta masivnije od sunca, u vrijeme kada je svemir još uvijek bio u svojoj mladosti", kaže autorica studije Anna-Christina Eilers, asistentica fizike na MIT-u. "Naši rezultati impliciraju da su u ranom svemiru supermasivne crne rupe možda dobile svoju masu prije svojih matičnih galaksija, a početne sjemenke crnih rupa mogle su biti masivnije nego danas."

Suautori Eilers i Yuea uključuju direktora MIT Kavlija Roberta Simcoea, MIT Hubbleova postdoktoranda i suradnika Rohana Naidua, te suradnike u Švicarskoj, Austriji, Japanu i Sveučilištu Sjeverne Karoline.

Zasljepljujuća središta
Ekstremna sjajnost kvazara bila je očita otkad su ih astronomi prvi put otkrili 1960-ih. Tada su pretpostavili da svjetlost kvazara potječe od jednog, zvjezdanog "točkastog izvora". Znanstvenici su objekte nazvali "kvazari", kao spoj riječi "kvazi-zvjezdani" objekt. Od tih prvih opservacija, znanstvenici su shvatili da kvazari zapravo nisu zvjezdanog podrieta, već potječu od akrecije intenzivno moćnih i postojanih supermasivnih crnih rupa koje se nalaze u središtu galaksija koje također ugoste zvijezde, koje su znatno slabije u usporedbi s njihovim zasljepljujućim središtima.

Izuzetno je teško odvojiti svjetlost od centralne crne rupe kvazara od svjetlosti zvijezda matične galaksije. Taj zadatak je poput razlikovanja polja krijesnica oko centralnog, masivnog reflektora. No, u posljednjih nekoliko godina, astronomi su imali mnogo bolju šansu za to zahvaljujući lansiranju teleskopa James Webb Space Telescope (JWST) NASA-e, koji je mogao zaviriti dalje unatrag u vremenu, i to s mnogo većom osjetljivošću i rezolucijom, nego ijedan postojeći opservatorij.

U svojoj novoj studiji, Yue i Eilers su iskoristili posvećeno vrijeme na JWST-u za promatranje šest poznatih, drevnih kvazara, s prekidima od jeseni 2022. do proljeća sljedeće godine. Ukupno je tim prikupio više od 120 sati opservacija šest udaljenih objekata.

"Kvazar svojom svjetlošću nadmašuje svoju matičnu galaksiju za redove veličine. I prethodne slike nisu bile dovoljno oštre da bi se razlikovalo kako matična galaksija sa svim svojim zvijezdama izgleda", kaže Yue. "Sada smo prvi put u mogućnosti otkriti svjetlost tih zvijezda vrlo pažljivim modeliranjem znatno oštrijih slika tih kvazara koje je snimio JWST."

Balans svjetlosti
Tim je pregledao podatke o slikama koje je JWST prikupio od svakog od šest udaljenih kvazara, koje su procijenili da su stare oko 13 milijardi godina. Ti podaci uključuju mjerenja svjetlosti svakog kvazara u različitim valnim duljinama. Istraživači su te podatke unijeli u model koliko te svjetlosti vjerojatno dolazi od kompaktnog "točkastog izvora", poput akrecijskog diska centralne crne rupe, u usporedbi s difuznijim izvorom, poput svjetlosti iz okolnih, raspršenih zvijezda matične galaksije.

Kroz ovo modeliranje, tim je razdvojio svjetlost svakog kvazara na dvije komponente: svjetlost iz svijetlog diska centralne crne rupe i svjetlost iz difuznih zvijezda matične galaksije. Količina svjetlosti iz oba izvora odražava njihovu ukupnu masu. Istraživači procjenjuju da je za te kvazare omjer između mase centralne crne rupe i mase matične galaksije bio oko 1:10. To su shvatili kao oštar kontrast današnjem omjeru mase od 1:1.000, u kojem su novije formirane crne rupe mnogo manje masivne u usporedbi s njihovim matičnim galaksijama.

"To nam nešto govori o tome što prvo raste: je li to crna rupa koja prvo raste, a zatim galaksija sustiže? Ili je galaksija i njene zvijezde koje prvo rastu, i one dominiraju i reguliraju rast crne rupe?" objašnjava Eilers. "Vidimo da crne rupe u ranom svemiru čini se rastu brže od svojih matičnih galaksija. To je preliminarni dokaz da su početne sjemenke crnih rupa mogle biti masivnije tada."

"Mora postojati neki mehanizam koji omogućava crnoj rupi da stekne svoju masu prije svoje matične galaksije u tim prvih milijardu godina", dodaje Yue. "To je neka vrsta prvog dokaza koji vidimo za to, što je uzbudljivo."
 
Izazov u analizi svjetlosti
Iako je otkrivanje zvjezdane svjetlosti iz matičnih galaksija kvazara velik korak naprijed, Yue ističe kako je razdvajanje svjetlosti od centralne crne rupe i zvijezda koje je okružuju i dalje iznimno teško. "To je slično pokušaju razlikovanja svjetlosti pojedinačnih krijesnica oko ogromnog reflektora. No, s teleskopom James Webb, sada imamo mnogo bolju priliku da to postignemo zahvaljujući njegovoj sposobnosti da gleda dalje unatrag u vremenu i s većom osjetljivošću."

Za svoje posmatranje, Yue i Eilers su iskoristili podatke prikupljene tijekom više od 120 sati promatranja šest udaljenih kvazara. "Svaki od tih kvazara proučavali smo s velikom pažnjom, koristeći različite valne duljine svjetlosti koje nam pruža teleskop James Webb kako bismo izdvojili karakteristike njihove svjetlosti."

Podaci koje su prikupili omogućili su im da procijene omjer između mase centralne crne rupe i mase matične galaksije, što je pokazalo da su crne rupe bile izuzetno masivne u usporedbi s veličinom galaksije. "To nam sugerira da je rast crnih rupa bio prioritetan u ranom svemiru, što može imati velike implikacije na naše razumijevanje formiranja i razvoja galaksija", komentira Yue.

Osim tehničkih detalja, Yue i Eilers također razmišljaju o širim implikacijama svojih otkrića. "Razmišljanje o tome kako su se supermasivne crne rupe mogle brzo povećavati u masi daje nam uvid u dinamiku ranog svemira, što bi moglo utjecati na naše teorije o formiranju struktura u svemiru", objašnjava Eilers.

Zaključci njihove studije nisu samo teorijski; oni mogu pomoći u usmjeravanju budućih istraživanja i opservacija. "Naša otkrića bi mogla potaknuti daljnja istraživanja o tome kako se supermasivne crne rupe integriraju u svoje galaksije i kako te interakcije utječu na njihov daljnji rast", dodaje Eilers.

Dok Yue i njegov tim nastavljaju s analizom podataka prikupljenih teleskopom James Webb, jasno je da su njihova otkrića otvorila nova vrata za razumijevanje najranijih dana svemira. "Ovo je tek početak. Planiramo dodatne studije koje će produbiti naše razumijevanje dinamike između crnih rupa i zvjezdanih populacija u njihovim matičnim galaksijama", zaključuje Yue s optimizmom.

Izvor: Massachusetts Institute of Technology