Czarna dziura powstała w sekundę po Wielkim Wybuchu. „Bezprecedensowe odkrycie”

Podręczniki do astrofizyki trzeba napisać na nowo. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba rozstrzygnął właśnie ostateczny dylemat o kurze i jajku, odnajdując w otchłani kosmosu potwora, który łamie dotychczasowe zasady. To supermasywna czarna dziura ważąca 50 mln razy więcej niż Słońce, która uformowała w sekundę po Wielkim Wybuchu, na długo przed narodzinami jej własnej galaktyki.

Wykorzystując możliwości obrazowania i spektroskopii Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, należącego do NASA/ESA/CSA, naukowcy zmapowali ruch i skład gazu krążącego wokół czarnej dziury w centrum Abell2744-QSO1, maleńkiej galaktyki oddalonej o ponad 13 mld lat świetlnych.

Wyniki sugerują, iż czarna dziura o masie 50 mln mas Słońca istaniała przed swoją galaktyką macierzystą, prawdopodobnie powstała w pierwszej sekundzie Wielkiego Wybuchu, i musiała być ogromna od samego początku.

Ta czarna dziura wyprzedziła swoją galaktykę

Co było pierwsze, galaktyka czy czarna dziura? Naukowcy od dawna sądzili, iż może to być galaktyka. Duże gwiazdy w galaktyce zużywają swoje paliwo i zapadają się, tworząc czarne dziury, które mogą pochłaniać otaczającą je materię i z czasem łączyć się, tworząc bardziej masywne obiekty. Trudno jednak pojąć, jak tak gwałtownie powstały czarne dziury o masie milionów, a choćby miliardów razy większej od masy Słońca, których tysiące odkryto już we wczesnym Wszechświecie.

Teraz naukowcy wykorzystujący Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba wykryli wyraźne dowody na to, iż niektóre supermasywne czarne dziury były ogromne od samego początku i powstały bez fazy zapadania się gwiazdy oraz bez znacznie masywniejszej galaktyki macierzystej, która mogłaby je zasilać.

To niezwykłe odkrycie. To zmiana paradygmatu, całkowita zmiana klasycznych scenariuszy powstawania i rozwoju czarnych dziur – powiedział Roberto Maiolino z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii, współautor badań opublikowanych dzisiaj w Nature i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Więcej na Spider’s Web:

Mała Czerwona Kropka QSO1

Wnioski zespołu opierają się na szczegółowych obserwacjach Abell2744-QSO1 (QSO1), prototypu Małej Czerwonej Kropki, która istniała zaledwie 700 mln lat po Wielkim Wybuchu.

Mała Czerwona Kropka (ang. Little Red Dot, w uproszczeniu LRD) to potoczna, ale oficjalnie używana przez astronomów nazwa nowej, niezwykłej klasy obiektów we wczesnym wszechświecie. Zostały one odkryte dopiero niedawno, dzięki niesamowitej czułości Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST).

To nie są dosłownie kropki w sensie fizycznym. Tak wyglądają na zdjęciach Webba – są maleńkie, zwarte i czerwone, bo ich światło dociera do nas z bardzo wczesnego Wszechświata, silnie przesunięte ku podczerwieni. Wiele z nich istniało kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, czyli ponad 13 mld lat temu.

Chociaż QSO1 ma zaledwie 1300 lat świetlnych średnicy, a jej światło podróżuje od ponad 13 mld lat, jest ona łatwiejsza do zbadania niż większość innych Małych Czerwonych Kopek, ponieważ jest soczewkowana grawitacyjnie przez gromadę galaktyk Abell 2744 (Gromada Pandory). QSO1 jest zarówno powiększona, jak i potrójnie uchwycona, ukazując się w trzech różnych miejscach na niebie.

Szczegół obrazu z kamery NIRCam Webba przedstawia małą czerwoną kropkę Abell2744-QSO1, zsoczewkowaną grawitacyjnie przez Abell 2744, ogromną megagromadę galaktyk znaną również jako Gromada Pandory. Fot. NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Uniwersytet Ben-Guriona), R. Maiolino (Cambridge), F. D’Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Uniwersytet we Florencji). Obróbka obrazu: A. Pagan

Wstępne badania QSO1 ujawniły przekonujące dowody na to, iż może to być kilka więcej niż obłok świecącego wodoru i helu krążący wokół supermasywnej czarnej dziury, której masa szacowana jest na 40 mln mas Słońca. Jednak, podobnie jak w przypadku innych wczesnych czarnych dziur odkrytych przez Webba, nie było pewności, czy rzeczywiście jest ona tak masywna.

Do tej pory wszystkie pomiary masy czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie były pośrednie, oparte na założeniach wynikających z naszej wiedzy o nich w lokalnym Wszechświecie. Nie wiedzieliśmy, czy te założenia rzeczywiście odnoszą się do odległego Wszechświata – powiedział współautor Francesco D’Eugenio, również z Uniwersytetu Cambridge.

Gaz, który zdradził masę kosmicznego potwora

Zespół uznał, iż jeżeli czarna dziura w QSO1 jest tak masywna, na jaką wygląda, to powinni być w stanie wykorzystać jednostkę pola integralnego (IFU) instrumentu Webb’s NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) do prześledzenia wpływu jej grawitacji na wirujący wokół niej gaz, a także do stworzenia mapy rozmieszczenia różnych pierwiastków w gazie.

Ignas Juodžbalis, student Cambridge i Cosimo Marconcini z Uniwersytetu Florenckiego we Włoszech, główni autorzy jednego z badań, wykorzystali obserwacje IFU do zmapowania ruchu wodoru wokół czarnej dziury. Kiedy sporządzili wykres prędkości obrotowej jako funkcji odległości od środka, odkryli, iż gaz ten charakteryzuje się ruchem keplerowskim: krąży wokół punktu centralnego w taki sam sposób, w jaki planety w Układzie Słonecznym krążą wokół Słońca.

Obraz z kamery NIRCam (Near Infrared Camera) na Kosmicznym Teleskopie Jamesa Webba przedstawia galaktykę Abell2744-QSO1 powiększoną przez gromadę galaktyk Abell 2744. Zdjecie: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Uniwersytet Ben-Guriona), R. Maiolino (Cambridge), F. D’Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Uniwersytet we Florencji). Obróbka obrazu: A. Pagan

To ważne, ponieważ mówi nam, iż większość masy QSO1 jest skoncentrowana w czarnej dziurze w centrum. Gdyby masa była bardziej rozproszona, co miałoby miejsce, gdyby było dużo gwiazd, gaz nie miałby tej idealnej rotacji keplerowskiej – powiedział Juodžbalis.

Ponieważ ruch Keplera rządzi się prostymi prawami grawitacji, zespół był w stanie wykorzystać pomiary prędkości gazu do bezpośredniego obliczenia masy czarnej dziury, co wcześniej nie było możliwe. Odkryli, iż czarna dziura jest nie tylko ogromna, ma masę około 50 mln mas Słońca, ale stanowi również zdumiewające dwie trzecie całkowitej masy QSO1. Ten stosunek jest tysiące razy większy niż w pobliskich galaktykach, gdzie supermasywne czarne dziury stanowią jedynie niewielki ułamek całkowitej masy galaktyki macierzystej.

Narodziny w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu

Dane z teleskopu przyniosły jeszcze jedną istotną informację. Wirujący gaz to niemal wyłącznie wodór i hel. Brakuje w nim cięższych pierwiastków, takich jak tlen czy węgiel, które powstają wewnątrz gwiazd i są rozsiewane po eksplozjach supernowych. QSO1 jest jednym z najbardziej dziewiczych środowisk, jakie kiedykolwiek udało się zmierzyć. To oznacza, iż nie zdążyły tam jeszcze zajść zaawansowane procesy gwiazdotwórcze.

Gigantyczna masa w centrum tak prostej galaktyki wskazuje na to, iż potwór nie mógł urosnąć z mniejszych, gwiazdowych czarnych dziur. Zamiast tego mamy do czynienia z obiektem, który powstał w sekundę po Wielkim Wybuchu jako tak zwana pierwotna czarna dziura. Alternatywnym wyjaśnieniem jest zapadnięcie się niewyobrażalnie wielkiej chmury gazu, która od razu utworzyła supermasywny obiekt, z pominięciem etapu gwiazd.

Wygląda na to, iż znaleźliśmy czarną dziurę, która nie ma dużej galaktyki macierzystej i która poprzedzała procesy gwiezdne. To bardzo ekscytujące, ponieważ stanowi dowód na istnienie pierwotnych czarnych dziur lub czarnych dziur z bezpośredniego kolapsu, o których teoretyzowano, ale których nie potwierdzono – powiedział Juodžbalis.

Odkrycie zespołu z Cambridge nie tylko rozwiązuje problem kury i jaja, udowadniając, iż w niektórych przypadkach czarna dziura pojawia się przed swoją galaktyką.

To także twardy dowód na to, iż dotychczasowe, pośrednie szacunki mas wczesnych czarnych dziur były poprawne. Astronomowie mają już na celowniku kolejne Małe Czerwone Kropki. Wygląda na to, iż wczesny wszechświat był pełen samotnych, supermasywnych drapieżników, które dopiero czekały na zbudowanie wokół siebie galaktycznych domów.