Kvazar je izuzetno svetlo jezgro galaksije u čijem centru se nalazi aktivna supermasivna crna rupa. Kako crna rupa uvlači okolni gas i prašinu, ona izbacuje ogromnu količinu energije, čineći kvazare jednim od najsjajnijih objekata u univerzumu. Kvazari su primećeni već nekoliko stotina miliona godina nakon Velikog praska, i bila je misterija kako su ovi objekti mogli da postanu tako svetli i masivni u tako kratkom kosmičkom vremenu.
Naučnici su predložili da su najraniji kvazari nastali iz previše gustih oblasti primordijalne materije, što bi takođe proizvelo mnogo manjih galaksija u okruženju kvazara. Ali u novoj studiji koju je vodio MIT, astronomi su primetili neke drevne kvazare za koje se čini da su iznenađujuće sami u ranom univerzumu.
Astronomi su koristili NASA-in svemirski teleskop Džejms Veb (JVST) da zavire u prošlost, više od 13 milijardi godina, kako bi proučavali kosmičko okruženje pet poznatih drevnih kvazara. Pronašli su iznenađujuću raznolikost u svojim susedstvima, ili „kvazarskim poljima“. Dok neki kvazari borave u veoma prepunim poljima sa više od 50 susednih galaksija, kao što svi modeli predviđaju, čini se da preostali kvazari lebde u prazninama, sa samo nekoliko zalutalih galaksija u njihovoj blizini.
Ovi usamljeni kvazari izazivaju razumevanje fizičara o tome kako su se takvi svetleći objekti mogli formirati tako rano u univerzumu, bez značajnog izvora okolne materije koji bi podstakao njihov rast crne rupe.
„Suprotno ranijim verovanjima, u proseku nalazimo, da ovi kvazari nisu nužno u onim regionima najveće gustine ranog univerzuma. Čini se da neki od njih sede usred ničega“, kaže Ana-Kristina Ajlers, docent. fizike na MIT-u. „Teško je objasniti kako su ovi kvazari mogli da narastu tako veliki ako izgleda da nemaju čime da se hrane.
Postoji mogućnost da ovi kvazari možda nisu tako usamljeni kao što izgledaju, već da su okruženi galaksijama koje su jako obavijene prašinom i stoga skrivene od pogleda. Eilers i njene kolege se nadaju da će podesiti svoja zapažanja kako bi pokušali da vide kroz bilo kakvu takvu kosmičku prašinu, kako bi razumeli kako su kvazari narasli tako veliki, tako brzo, u ranom univerzumu.
Eilers i njene kolege izveštavaju o svojim nalazima u radu koji se pojavljuje u The Astrophisical Journal. Među koautorima MIT-a su postdoktori Rohan Naidu i Minghao Iue; Robert Simcoe, profesor fizike Francis Friedman i direktor Kavli instituta za astrofiziku i svemirska istraživanja MIT-a; i saradnici iz institucija uključujući Univerzitet Lajden, Univerzitet Kalifornije u Santa Barbari, ETH Cirih i drugde.
Pet novouočenih kvazara su među najstarijim kvazarima koji su do sada posmatrani. Smatra se da su objekti stari više od 13 milijardi godina nastali između 600 i 700 miliona godina nakon Velikog praska. Supermasivne crne rupe koje napajaju kvazare su milijardu puta masivnije od sunca i više od trilion puta svetlije. Zbog njihovog ekstremnog sjaja, svetlost svakog kvazara može da putuje kroz starost univerzuma, dovoljno daleko da dostigne JVST-ove veoma osetljive detektore danas.
„Prosto je fenomenalno što sada imamo teleskop koji može da uhvati svetlost od pre 13 milijardi godina sa toliko detalja“, kaže Ajlers. „Prvi put, JVST nam je omogućio da pogledamo okruženje ovih kvazara, gde su odrasli i kakvo je njihovo susedstvo.
Tim je analizirao slike pet drevnih kvazara koje je snimio JVST između avgusta 2022. i juna 2023. Opservacije svakog kvazara su uključivale višestruke „mozaične“ slike, ili delimične prikaze polja kvazara, koje je tim efektivno spojio kako bi proizveo potpunu sliku okolnog susedstva svakog kvazara.
Teleskop je takođe izvršio merenja svetlosti u više talasnih dužina u polju svakog kvazara, koje je tim zatim obradio da bi utvrdio da li je dati objekat u polju svetlost iz susedne galaksije i koliko je galaksija udaljena od mnogo svetlijeg centralnog kvazara.
„Otkrili smo da je jedina razlika između ovih pet kvazara u tome što njihova okruženja izgledaju tako drugačije“, kaže Ajlers. „Na primer, jedan kvazar ima skoro 50 galaksija oko sebe, dok drugi ima samo dve. I oba kvazara su iste veličine, zapremine, sjaja i vremena univerzuma. To je bilo zaista iznenađujuće videti.“
Disparitet u poljima kvazara uvodi prelom u standardnu sliku rasta crne rupe i formiranja galaksija. Prema najboljem razumevanju fizičara o tome kako su se pojavili prvi objekti u univerzumu, kosmička mreža tamne materije trebalo je da odredi kurs. Tamna materija je još uvek nepoznat oblik materije koji nema druge interakcije sa okolinom osim gravitacije.
Ubrzo nakon Velikog praska, smatra se da je rani univerzum formirao filamente tamne materije koja je delovala kao neka vrsta gravitacionog puta, privlačeći gas i prašinu duž svojih vitica. U pregustim delovima ove mreže, materija bi se akumulirala da bi formirala masivnije objekte. A najsjajniji, najmasivniji rani objekti, kao što su kvazari, bi se formirali u regionima najveće gustine mreže, koji bi takođe proizveli mnogo više, manjih galaksija.
„Kosmička mreža tamne materije je čvrsto predviđanje našeg kosmološkog modela univerzuma i može se detaljno opisati korišćenjem numeričkih simulacija“, kaže koautor Elia Pizzati, diplomirani student na Univerzitetu u Lajdenu. „Upoređujući naša zapažanja sa ovim simulacijama, možemo odrediti gde se u kosmičkoj mreži nalaze kvazari.“
Naučnici procenjuju da bi kvazari morali kontinuirano da rastu sa veoma visokim stopama akrecije kako bi dostigli ekstremnu masu i luminozitet u vremenima u kojima su ih astronomi posmatrali, manje od milijardu godina nakon Velikog praska.
„Glavno pitanje na koje pokušavamo da odgovorimo je kako nastaju ove crne rupe od milijardu solarne mase u vreme kada je univerzum još uvek stvarno, zaista mlad? Još uvek je u povoju“, kaže Ajlers.
Nalazi tima mogu pokrenuti više pitanja nego odgovora. Čini se da „usamljeni“ kvazari žive u relativno praznim delovima svemira. Ako su kosmološki modeli fizičara tačni, ovi neplodni regioni označavaju vrlo malo tamne materije ili polaznog materijala za stvaranje zvezda i galaksija. Kako su onda nastali izuzetno svetli i masivni kvazari?
„Naši rezultati pokazuju da još uvek nedostaje značajan deo slagalice o tome kako ove supermasivne crne rupe rastu“, kaže Ajlers. „Ako nema dovoljno materijala da bi neki kvazari mogli da rastu kontinuirano, to znači da mora postojati neki drugi način na koji oni mogu da rastu, koji tek treba da shvatimo.“
