Astronomi MIT-a su primetili neuhvatljivu svetlost zvezda koja okružuje neke od najranijih kvazara u univerzumu. Daleki signali, koji prate više od 13 milijardi godina unazad do detinjstva univerzuma, otkrivaju tragove o tome kako su prve crne rupe i galaksije evoluirale.
Kvazari su užareni centri aktivnih galaksija, u kojima se nalazi nezasita supermasivna crna rupa u svom jezgru. Većina galaksija ima centralnu crnu rupu koja se povremeno može hraniti gasom i zvezdanim krhotinama, stvarajući kratak nalet svetlosti u obliku užarenog prstena dok se materijal kovitla prema crnoj rupi.
Nasuprot tome, kvazari mogu da troše ogromne količine materije tokom mnogo dužih vremenskih perioda, stvarajući izuzetno svetao i dugotrajan prsten – toliko svetao, u stvari, da su kvazari među najsjajnijim objektima u univerzumu.
Pošto su tako svetli, kvazari zasjajaju ostatak galaksije u kojoj borave. Ali tim MIT-a je po prvi put uspeo da posmatra mnogo slabiju svetlost zvezda u galaksijama domaćinima tri drevna kvazara.
Na osnovu ove neuhvatljive zvezdane svetlosti, istraživači su procenili masu svake galaksije domaćina, u poređenju sa masom njene centralne supermasivne crne rupe. Otkrili su da su za ove kvazare centralne crne rupe bile mnogo masivnije u odnosu na njihove galaksije domaćine, u poređenju sa njihovim modernim kolegama.
Nalazi, objavljeni danas u The Astrophisical Journal, mogu rasvetliti kako su najranije supermasivne crne rupe postale tako masivne uprkos relativno kratkom kosmičkom vremenu za rast. Konkretno, te najranije čudovišne crne rupe su možda iznikle iz masivnijih „semena“ nego što su to učinile modernije crne rupe.
„Nakon što je svemir nastao, pojavile su se crne rupe koje su tada trošile materijal i rasle za veoma kratko vreme“, kaže autor studije Minghao Jue, postdoktor na Kavli institutu za astrofiziku i svemirska istraživanja MIT-a. „Jedno od velikih pitanja je razumeti kako te čudovišne crne rupe mogu da rastu tako velike, tako brzo.
„Ove crne rupe su milijarde puta masivnije od Sunca, u vreme kada je univerzum još uvek u povoju“, kaže autorka studije Ana-Kristina Ajlers, docentka fizike na MIT-u. „Naši rezultati impliciraju da su u ranom univerzumu supermasivne crne rupe mogle dobiti svoju masu pre nego što su to učinile njihove galaksije domaćine, a početna semena crne rupe su mogla biti masivnija nego danas.“
Eilersovi i Jueovi koautori su direktor MIT Kavli Robert Simcoe, MIT Hubble Fellov i postdoc Rohan Naidu, kao i saradnici u Švajcarskoj, Austriji, Japanu i na Državnom univerzitetu Severne Karoline.
Ekstremna sjajnost kvazara je očigledna otkako su astronomi prvi put otkrili te objekte 1960-ih. Tada su pretpostavili da svetlost kvazara potiče iz jednog, zvezdanog „tačkastog izvora“. Naučnici su te objekte označili „kvazarima“, kao portmanto „kvazizvezdanog“ objekta.
Od tih prvih zapažanja, naučnici su shvatili da kvazari u stvari nisu zvezdanog porekla, već potiču iz nakupljanja intenzivno moćnih i upornih supermasivnih crnih rupa koje se nalaze u centru galaksija u kojima se nalaze i zvezde, koje su mnogo slabije u poređenju sa njihovim sjajnim. jezgra.
Bilo je izuzetno izazovno odvojiti svetlost centralne crne rupe kvazara od svetlosti zvezda galaksije domaćina. Zadatak je pomalo kao razaznavanje polja svitaca oko centralnog, masivnog reflektora. Ali poslednjih godina, astronomi su imali mnogo veće šanse da to učine sa lansiranjem NASA-inog svemirskog teleskopa Džejms Veb (JVST), koji je bio u stanju da zaviri dalje u prošlost i sa mnogo većom osetljivošću i rezolucijom od bilo kog postojećeg opservatorija.
U svojoj novoj studiji, Iue i Eilers su koristili posvećeno vreme na JVST-u da posmatraju šest poznatih, drevnih kvazara, s prekidima od jeseni 2022. do sledećeg proleća. Ukupno, tim je prikupio više od 120 sati posmatranja šest udaljenih objekata.
„Kvazar nadmašuje svoju galaksiju domaćina po redosledu veličine. A prethodne slike nisu bile dovoljno oštre da bi se razlikovalo kako izgleda galaksija domaćin sa svim svojim zvezdama“, kaže Jue. „Sada smo po prvi put u mogućnosti da otkrijemo svetlost ovih zvezda veoma pažljivo modelirajući JVST-ove mnogo oštrije slike tih kvazara.“
Tim je pregledao slikovne podatke koje je prikupio JVST za svaki od šest udaljenih kvazara, za koje su procenili da su stari oko 13 milijardi godina. Ti podaci su uključivali merenja svetlosti svakog kvazara u različitim talasnim dužinama. Istraživači su te podatke uneli u model o tome koliko te svetlosti verovatno dolazi iz kompaktnog „tačkastog izvora“, kao što je akrecioni disk centralne crne rupe, u poređenju sa difuznijim izvorom, kao što je svetlost iz okolnih galaksija domaćina, rasutih zvezda .
Kroz ovo modeliranje, tim je razdvojio svetlost svakog kvazara na dve komponente: svetlost sa svetlećeg diska centralne crne rupe i svetlost difuznijih zvezda galaksije domaćina. Količina svetlosti iz oba izvora je odraz njihove ukupne mase. Istraživači procenjuju da je za ove kvazare odnos između mase centralne crne rupe i mase galaksije domaćina bio oko 1:10. Ovo je, shvatili su, u oštroj suprotnosti sa današnjom ravnotežom mase od 1:1.000, u kojoj su nedavno formirane crne rupe mnogo manje masivne u poređenju sa njihovim galaksijama domaćinima.
„Ovo nam govori nešto o tome šta prvo raste: da li je crna rupa ta koja prvo raste, a onda galaksija sustiže? Ili je galaksija i njene zvezde koje prvo rastu, i one dominiraju i regulišu rast crne rupe?“ Eilers objašnjava. „Vidimo da crne rupe u ranom univerzumu izgledaju brže od svojih galaksija domaćina. To je provizorni dokaz da je početno seme crne rupe tada moglo biti masivnije.“
„Mora da je postojao neki mehanizam da crna rupa dobije svoju masu ranije od svoje galaksije domaćina u tih prvih milijardu godina“, dodaje Jue. „To je na neki način prvi dokaz koji vidimo za ovo, što je uzbudljivo.“
