JWST märgib hiiglaslikke musti auke kogu varajases universumis | Ajakiri Quanta

Aastaid varem oli ta isegi kindel, et James Webb kosmoseteleskoop käivitaks edukalt, Christina Eilers alustas konverentsi kavandamist varajasele universumile spetsialiseerunud astronoomidele. Ta teadis, et kui - eelistatavalt millal - JWST hakkab vaatlusi tegema, oleks tal ja ta kolleegidel palju rääkida. Nagu ajamasin, nägi teleskoop kaugemale ja kaugemale minevikku kui ükski varasem instrument.

Eilersi (ja ülejäänud astronoomilise kogukonna) õnneks ei olnud tema planeerimine asjatu: JWST startis ja rakendati probleemideta, seejärel hakkas tõsiselt uurima varajast universumit selle miljoni miili kaugusel asuvast kosmosest.

Juuni keskel kogunes Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis Eilersi JWST “First Light” konverentsile umbes 150 astronoomi. JWST-st polnud möödunud päris aastat hakkas pilte saatma tagasi Maale. Ja just nagu Eilers oli eeldanud, kujundas teleskoop juba ümber astronoomide arusaama kosmose esimesest miljardist aastast.

Üks komplekt mõistatuslikke esemeid jäi lugematute ettekannete hulgast silma. Mõned astronoomid nimetasid neid "peidetud väikesteks koletisteks". Teiste jaoks olid need "väikesed punased täpid". Kuid olenemata nende nimest, olid andmed selged: kui JWST vaatab noori galaktikaid, mis paistavad pimeduses pelgalt punaste täppidena, näeb üllatavalt palju tsükloneid nende keskpunktides.

"Tundub, et on palju allikaid, millest me ei teadnud," ütles MIT-i astronoom Eilers, "mille leidmist me üldse ei oodanud."

Viimastel kuudel on astronoome rõõmustanud ja segadusse ajanud hulk kosmiliste plekkide vaatlusi.

"Kõik räägivad neist väikestest punastest täppidest," ütles Xiaohui fänn, Arizona ülikooli teadlane, kes on oma karjääri veetnud varases universumis kaugeid objekte otsides.

Tornaado südamega galaktikate kõige otsesem seletus on see, et suured mustad augud, mis kaaluvad miljoneid päikest, vihutavad gaasipilved meeletusse. See leid on nii ootuspärane kui ka hämmingus. Eeldatakse, et JWST ehitati osaliselt iidsete objektide leidmiseks. Nad on miljardist päikesest koosnevate mustade aukude esivanemad, mis näivad kosmilisse rekordisse ilmuvat seletamatult vara. Uurides neid musti auke, näiteks sel aastal avastatud kolme rekordit püstitanud noort, loodavad teadlased teada saada, kust esimesed tohutud mustad augud tulid, ja ehk kindlaks teha, milline kahest konkureerivast teooriast kirjeldab nende teket paremini: kas need kasvasid ülikiiresti või kas nad lihtsalt sündisid suureks? Kuid vaatlused on ka hämmingus, sest vähesed astronoomid eeldasid, et JWST leiab nii palju noori, näljaseid musti auke – ja uuringud toovad neid kümnete kaupa juurde. Kunagise mõistatuse lahendamise katse käigus on astronoomid avastanud hulga mahukaid musti auke, mis võivad ümber kirjutada väljakujunenud tähtede, galaktikate ja muu teooriad.

"Teoreetikuna pean ehitama universumi," ütles Marta Volonteri, Pariisi astrofüüsika instituudi mustadele aukudele spetsialiseerunud astrofüüsik. Volonteri ja tema kolleegid võitlevad nüüd hiiglaslike mustade aukude sissevooluga varajases kosmoses. "Kui nad on [tõelised], muudavad nad pilti täielikult."

Kosmiline ajamasin

JWST-i vaatlused raputavad astronoomiat osaliselt seetõttu, et teleskoop suudab tuvastada Maale jõudvat valgust sügavamalt kosmosest kui ükski varasem masin.

"Ehitasime selle absurdselt võimsa teleskoobi 20 aasta jooksul," ütles Grant Tremblay, astrofüüsik Harvard-Smithsoniani astrofüüsikakeskuses. "Kogu selle mõte oli algselt vaadata sügavale kosmilisse aega."

Üks missiooni eesmärke on püüda universumi esimese miljardi aasta jooksul (umbes 13.8 miljardi aasta pikkusest ajaloost) tekkivaid galaktikaid. Teleskoobi esialgsed vaatlused eelmisest suvest vihjas noorele universumile täis silmatorkavalt küpseid galaktikaid, kuid teave, mida astronoomid sellistelt piltidelt välja väänasid, oli piiratud. Varase universumi tõeliseks mõistmiseks vajasid astronoomid enamat kui ainult pilte; nad nälgisid nende galaktikate spektreid – andmeid, mis tulevad siis, kui teleskoop jagab sissetuleva valguse kindlateks toonideks.

Galaktilised spektrid, mida JWST eelmise aasta lõpus tõsiselt tagasi saatma hakkas, on kasulikud kahel põhjusel.

Esiteks lasid nad astronoomidel kindlaks teha galaktika vanuse. Infrapunavalgus, mida JWST kogub, on punetav või punanihke, mis tähendab, et kosmost läbides venitatakse selle lainepikkusi ruumi laienemine. Selle punanihke ulatus võimaldab astronoomidel määrata galaktika kaugust ja seega ka seda, millal see algselt valgust kiirgas. Lähedal asuvate galaktikate punanihe on peaaegu null. JWST suudab hõlpsasti eristada objekte, mis ületavad punanihket 5, mis vastab ligikaudu 1 miljardile aastale pärast Suurt Pauku. Suurema punanihkega objektid on oluliselt vanemad ja kaugemal.

Teiseks annavad spektrid astronoomidele aimu, mis galaktikas toimub. Iga toon tähistab interaktsiooni footonite ja konkreetsete aatomite (või molekulide) vahel. Üks värvus pärineb vesinikuaatomist, mis vilgub, kui see pärast konarusi settib; teine ​​tähistab surutud hapnikuaatomeid ja teine ​​lämmastikku. Spekter on värvide muster, mis näitab, millest galaktika koosneb ja mida need elemendid teevad, ning JWST pakub selle üliolulise konteksti enneolematutel kaugustel asuvatele galaktikatele.

"Oleme teinud nii suure hüppe," ütles Aayush Saxena, Oxfordi ülikooli astronoom. Asjaolu, et "me räägime punanihkega 9 galaktikate keemilisest koostisest, on lihtsalt tähelepanuväärne."

(Punanihe 9 on hämmastavalt kauge, mis vastab ajale, mil universum oli kõigest 0.55 miljardit aastat vana.)

Galaktilised spektrid on ka ideaalsed vahendid aatomite peamise segaja leidmiseks: galaktikate südameid varitsevate hiiglaslike mustade aukude leidmiseks. Mustad augud ise on tumedad, kuid kui nad toituvad gaasist ja tolmust, rebivad nad aatomeid laiali, pannes need eredaid värve kiirgama. Ammu enne JWST starti lootsid astrofüüsikud, et teleskoop aitab neil neid mustreid märgata ja leida piisavalt varajase universumi suurimaid ja aktiivsemaid musti auke, et lahendada nende tekkimise mõistatus.

Liiga suur, liiga vara

Müsteerium sai alguse enam kui 20 aastat tagasi, kui Fani juhitud meeskond märkas üht neist kõige kaugemad galaktikad kunagi täheldatud - hiilgav kvasar või galaktika, mis on ankurdatud aktiivse supermassiivse musta augu külge, mis kaalub võib-olla miljardeid päikesi. Selle punanihe oli 5, mis vastab umbes 1.1 miljardile aastale pärast Suurt Pauku. Edasiste taevalaotustega purustasid Fan ja tema kolleegid korduvalt oma rekordeid, nihutades kvasari punase nihke piiri 6 sisse 2001 ja lõpuks ka 7.6 sisse 2021 — vaid 0.7 miljardit aastat pärast Suurt Pauku.

Probleem oli selles, et selliste hiiglaslike mustade aukude tegemine tundus nii varajases kosmilises ajaloos võimatu.

Nagu iga objekti puhul, võtab ka mustade aukude kasvamine ja moodustumine aega. Ja nagu 6 jala pikkusel väikelapsel, olid ka Fani ülisuured mustad augud nende vanuse kohta liiga suured – universum ei olnud piisavalt vana, et nad oleksid kogunud miljardeid päikesi. Nende ülekasvanud väikelaste selgitamiseks olid füüsikud sunnitud kaaluma kahte ebameeldivat võimalust.

Esimene oli see, et Fani galaktikad said alguse standardsete, umbkaudu tähemassiliste mustade aukudega, mida supernoovad sageli maha jätavad. Seejärel kasvasid need nii ühinemise kui ka ümbritseva gaasi ja tolmu alla neelamise teel. Tavaliselt, kui must auk pidutseb piisavalt agressiivselt, tõrjub kiirguse väljavool selle tükid eemale. See peatab toitumishulluse ja seab mustade aukude kasvu kiiruspiirangu, mida teadlased nimetavad Eddingtoni piiriks. Kuid see on pehme lagi: pidev tolmuvool võib kiirguse väljavalamisest üle saada. Siiski on raske ette kujutada, et selline "super-Eddingtoni" kasv jätkuks piisavalt kaua, et selgitada Fani metsalisi – nad oleksid pidanud mõtlematult kiiresti kasvama.

Või võivad mustad augud sündida ebatõenäoliselt suurteks. Gaasipilved varajases universumis võisid kokku kukkuda otse mustadeks aukudeks, mis kaaluvad tuhandeid päikesi, tekitades objekte, mida nimetatakse rasketeks seemneteks. Seda stsenaariumi on ka raske kõhuga haarata, sest sellised suured klompilised gaasipilved peaksid enne musta augu tekkimist tähtedeks murduma.

Üks JWST-i prioriteete on hinnata neid kahte stsenaariumi, vaadates minevikku ja püüdes kinni Fani galaktikate nõrgemad esivanemad. Need eelkäijad poleks päris kvasarid, vaid mõnevõrra väiksemate mustade aukudega galaktikad, mis on teel kvasariteks. JWST abil on teadlastel parim võimalus märgata musti auke, mis on vaevu kasvama hakanud – objekte, mis on piisavalt noored ja piisavalt väikesed, et teadlased saaksid oma sünnikaalu kindlaks teha.

See on üks põhjus, miks Cosmic Evolution Early Release Science Survey ehk CEERSi astronoomide rühm, mida juhib Dale Kocevski Colby kolledžist, hakkas ületunde tegema, kui nad esimest korda märkasid selliste noorte mustade aukude ilmnemisest jõuludele järgnevatel päevadel.

"See on muljetavaldav, kui palju neid on," kirjutas Jeyhan Kartaltepe, Rochesteri Tehnoloogiainstituudi astronoom, Slacki teemalise arutelu ajal.

"Palju väikseid peidetud koletisi," vastas Kocevski.

Kasvav koletiste hulk

CEERSi spektrites hüppasid kohe välja mõned galaktikad, mis potentsiaalselt varjavad beebisid mustad augud – väikesed koletised. Erinevalt nende vaniljematest õdedest-vendadest kiirgasid need galaktikad valgust, mis ei tulnud kohale ainult ühe karge vesiniku varjundiga. Selle asemel määriti või laiendati vesinikujoont erinevateks toonideks, mis näitab, et mõned valguslained suruti kokku, kui tiirlevad gaasipilved kiirendasid JWST poole (nagu lähenev kiirabi kiirgab sireeni helilainete kokkusurumisel tõusvat kisa), samas kui teised lained venitasid, kui pilved lendasid minema. Kocevski ja tema kolleegid teadsid, et mustad augud on peaaegu ainus objekt, mis suudab vesinikku niimoodi ümber vedada.

"Ainus viis musta augu ümber tiirleva gaasi laiemat komponenti näha on see, kui vaatate otse galaktika tünnist alla ja otse musta auku," ütles Kocevski.

Jaanuari lõpuks oli CEERSi meeskonnal õnnestunud välja anda eeltrükk, mis kirjeldas kahte "peidetud väikest koletist", nagu nad neid kutsusid. Seejärel asus rühm süstemaatiliselt uurima laiemat osa nende programmiga kogutud sadadest galaktikatest, et näha, kui palju musti auke seal väljas on. Kuid mõni nädal hiljem haaras neid teine ​​meeskond, mida juhtis Yuichi Harikane Tokyo ülikoolist. Harikane rühm otsis 185 kõige kaugemat CEERSi galaktikat ja leitud 10 laiade vesinikujoontega – miljoni päikesemassiga kesksete mustade aukude tõenäoline töö punanihketel vahemikus 4–7. Seejärel analüüsiti juunis veel kahte uuringut, mille juhtisid Jorryt Matthee Šveitsi Zürichi Tehnoloogiainstituut tuvastas veel 20väikesed punased täpid” laiade vesinikujoontega: punanihke ümber keerlevad mustad augud 5. Analüüs postitatud augusti alguses teatas veel kümmekond, millest mõned võivad olla isegi ühinemise teel kasvamas.

"Ma olen neid asju nii kaua oodanud," ütles Volonteri. "See on olnud uskumatu."

Kuid vähesed astronoomid nägid ette tohutult suure ja aktiivse musta auguga galaktikate arvu. JWST-i esimesel vaatlusaastal kvasaripoegi on rohkem, kui teadlased olid ennustanud. täiskasvanud kvasarite loendus — 10–100 korda rikkalikum.

"See on astronoomi jaoks üllatav, et me olime suurusjärgu või isegi rohkem maha jäänud," ütles Eilers, kes aitas kaasa väikeste punaste täppidega paberile.

"Alati tundus, et suure punanihke korral on need kvasarid vaid jäämäe tipp," ütles Stéphanie Juneau, riikliku teadusfondi NOIRLabi astronoom ja väikeste koletiste paberi kaasautor. "Võib-olla avastame, et selle all olev [nõrgem] populatsioon on isegi suurem kui tavaline jäämägi."

Need kaks lähevad peaaegu 11-ni

Kuid astronoomid teavad, et nende lapsekingades olevatele loomadele pilguheitmiseks tuleb jõuda tunduvalt kaugemale punanihkest 5 ja vaadata universumi esimest miljardit aastat sügavamale. Hiljuti on mitmed meeskonnad märganud musti auke, mis toituvad tõeliselt enneolematutel kaugustel.

Märtsisjuhitud CEERSi analüüs Rebecca Larson, avastas Austini Texase ülikooli astrofüüsik galaktikas laia vesinikujoone punanihkega 8.7 (0.57 miljardit aastat pärast Suurt Pauku), mis püstitas uue rekordi kõige kaugemate aktiivsete mustade aukude osas, mis kunagi avastatud.

Kuid Larsoni rekord langes vaid paar kuud hiljem, pärast seda, kui JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) koostöös astronoomid said oma käed GN-z11 spektrile. Punase nihke 10.6 juures oli GN-z11 Hubble'i kosmoseteleskoobi nägemise nõrgimas servas ja teadlased tahtsid seda teravamate silmadega uurida. Veebruariks oli JWST veetnud GN-z10 vaatlemiseks enam kui 11 tundi ja teadlased võisid kohe öelda, et galaktika oli veider. Selle arvukus lämmastik oli "täiesti endast väljas," ütles Jan Scholtz, JADESi liige Cambridge'i ülikoolis. Nii suure lämmastiku nägemine noores galaktikas oli nagu kohtumine 6-aastasega kella viie varjus, eriti kui lämmastikku võrrelda galaktika nappide hapnikuvarudega – lihtsama aatomiga, mille tähed peaksid kõigepealt kokku panema.

JADESi koostööle järgnes veel umbes 16 JWST-vaatlustundi mai alguses. Täiendavad andmed teravdasid spektrit, paljastades, et kaks nähtavat lämmastiku varjundit olid äärmiselt ebaühtlased - üks hele ja üks nõrk. Meeskonna sõnul näitas muster, et GN-z11 oli täis tihedaid gaasipilvi, mida koondasid a hirmutav gravitatsioonijõud.

"Siis mõistsime, et vaatame otse musta augu akretsiooniketast," ütles Scholtz. See juhuslik joondus selgitab, miks kauge galaktika oli Hubble'i jaoks piisavalt hele.

Äärmiselt noored, näljased mustad augud, nagu GN-z11, on täpselt objektid, mida astrofüüsikud lootsid lahendada Fani kvasarite tekkimise keerukuse. Kuid keerdkäiguna selgub, et isegi ülivõrde GN-z11 pole piisavalt noor ega piisavalt väike, et teadlased saaksid lõplikult kindlaks teha selle sünnimassi.

"Me peame alustama mustade aukude masside tuvastamist palju suurema punanihke juures isegi kui 11," ütles Scholtz. "Mul polnud aimugi, et ma seda aasta tagasi ütlen, aga siin me oleme."

Vihje raskusele

Seni kasutavad astronoomid vastsündinud mustade aukude leidmiseks ja uurimiseks peenemaid nippe, näiteks sõbrale või mõnele teisele lipulaevale kosmoseteleskoobile abi saamiseks helistamist.

2022. aasta alguses hakkasid Volonteri, Tremblay ja nende kaastöötajad NASA Chandra röntgenikiirguse vaatluskeskust perioodiliselt suunama galaktikaparvele, mille kohta nad teadsid, et see on JWST-i nimekirjas. Klaster toimib nagu objektiiv. See painutab aegruumi kangast ja suurendab selle taga asuvaid kaugemaid galaktikaid. Meeskond tahtis näha, kas mõni neist taustagalaktikatest sülitab välja röntgenikiirgust, mis on ahne musta augu traditsiooniline visiitkaart.

Aasta jooksul vaatas Chandra kaks nädalat kosmilist läätse – üks oma seni pikimaid vaatluskampaaniaid – ja kogus 19 röntgenfootonit, mis tulid galaktikast nimega UHZ1. punanihe 10.1. Need 19 kõrge oktaanarvuga footonit pärinesid tõenäoliselt kasvavast mustast august, mis eksisteeris vähem kui pool miljardit aastat pärast Suurt Pauku, mistõttu on see kaugelt kõige kaugemal tuvastatud röntgenikiirgusallikas.

Kombineerides JWST ja Chandra andmeid, õppis rühm midagi kummalist ja informatiivset. Enamikus tänapäevastes galaktikates on peaaegu kogu mass tähtedes, keskmises mustas augus on vähem kui protsent. Kuid UHZ1-s näib mass olevat tähtede ja musta augu vahel ühtlaselt jaotunud – see pole muster, mida astronoomid oleksid oodanud super-Eddingtoni akretsiooni puhul.

Usutavam seletus, meeskond soovitas, on see, et UHZ1 keskne must auk sündis, kui hiiglaslik pilv kortsus tohutuks mustaks auguks, jättes tähtede loomiseks vähe gaasi. Need tähelepanekud "võivad olla kooskõlas raske seemnega," ütles Tremblay. On hullumeelne mõelda nendele hiiglaslikele gaasipallidele, mis lihtsalt kokku kukuvad.

See on musta augu universum

Mõned viimastel kuudel toimunud hullumeelse spektrirütluse konkreetsed leiud muutuvad uuringute käigus vastastikuse eksperdihinnangu käigus. Kuid üldine järeldus – et noor universum lõi väga kiiresti välja hulga hiiglaslikke aktiivseid musti auke – jääb tõenäoliselt ellu. Kuskilt pidid ju Fani kvasarid tulema.

"Iga objekti täpsed arvud ja üksikasjad on endiselt ebakindlad, kuid on väga veenev, et leiame suure hulga mustade aukude arvu," ütles Eilers. "JWST on need esimest korda paljastanud ja see on väga põnev."

Mustade aukude spetsialistide jaoks on see ilmutus, mis on valminud juba aastaid. Hiljutised uuringud segased noorukite galaktikad Kaasaegses universumis vihjas, et noorte galaktikate aktiivsed mustad augud jäetakse tähelepanuta. Ja teoreetikud on vaeva näinud, sest nende digitaalsed mudelid tekitasid pidevalt universumeid, milles oli palju rohkem musti auke, kui astronoomid nägid tegelikus.

"Ma olen alati öelnud, et minu teooria on vale ja vaatlus õige, seega pean oma teooriat parandama," ütles Volonteri. Kuid võib-olla ei viidanud lahknevus teooria probleemile. "Võib-olla ei võetud neid väikeseid punaseid täppe arvesse," ütles ta.

Nüüd, mil leegitsevad mustad augud on küpsevas universumis muutunud enamaks kui lihtsalt kosmiliseks kameeks, mõtlevad astrofüüsikud, kas objektide ümbervormistamine teoreetilistes rollides võiks leevendada ka muid peavalusid.

Pärast mõne JWST-i esimeste piltide uurimist juhtisid mõned astronoomid kiiresti tähelepanu sellele galaktikad tundusid nende noorust arvestades võimatult rasked. Kuid vähemalt mõnel juhul võib pimestavalt hele must auk panna teadlasi ümbritsevate tähtede suurust üle hindama.

Teine teooria, mis võib vajada muutmist, on galaktikate tähtede väljasurumise kiirus, mis kipub galaktikate simulatsioonides olema liiga kõrge. Kocevski oletab, et paljud galaktikad läbivad varjatud koletise faasi, mis paneb paika tähtede moodustumise aeglustumine; nad saavad alguse tähtede loomise tolmus ja seejärel kasvab nende must auk piisavalt võimsaks, et hajutada tähematerjali kosmosesse, aeglustades tähtede teket. "Võib-olla vaatame seda stsenaariumi mängus," ütles ta.

Kui astronoomid kergitavad varajase universumi loori, on akadeemilisi aimdusi rohkem kui konkreetseid vastuseid. Nii palju kui JWST juba muudab seda, kuidas astronoomid mõtlevad aktiivsetest mustadest aukudest, teavad teadlased, et teleskoobi sel aastal paljastatud kosmilised vinjetid on vaid anekdoodid, võrreldes sellega, mis tuleb. Sellised kampaaniad nagu JADES ja CEERS on leidnud kümneid tõenäolisi musti auke, mis vaatavad neile tagasi taevakildudelt, mis on umbes kümnendiku täiskuu suurusest. Teleskoobi ja selle astronoomide tähelepanu ootavad veel paljud väikesed mustad augud.

"Kõik need edusammud on tehtud esimese üheksa kuni 12 kuu jooksul," ütles Saxena. "Nüüd on meil [JWST] järgmiseks üheksaks või kümneks aastaks."