JWST zauważa gigantyczne czarne dziury we wczesnym wszechświecie | Magazyn Quanta

Wiele lat wcześniej była nawet pewna, że Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba pomyślnie wystartowałby, Krystyna Eilers zaczął planować konferencję dla astronomów specjalizujących się we wczesnym wszechświecie. Wiedziała, że ​​jeśli – najlepiej kiedy – JWST zacznie prowadzić obserwacje, ona i jej koledzy będą mieli dużo do omówienia. Podobnie jak wehikuł czasu, teleskop mógł widzieć dalej i dalej w przeszłość niż jakikolwiek poprzedni instrument.

Na szczęście dla Eilers (i reszty społeczności astronomicznej), jej planowanie nie poszło na marne: JWST wystrzelił i rozmieścił bez żadnych problemów, a następnie zaczął poważnie badać wczesny wszechświat z jego grzędy w przestrzeni oddalonej o milion mil.

W połowie czerwca około 150 astronomów zebrało się w Massachusetts Institute of Technology na konferencji Eilers JWST „First Light”. Niecały rok minął od JWST zaczął przesyłać zdjęcia powrót na Ziemię. I tak jak przewidywał Eilers, teleskop już zmienił sposób rozumienia przez astronomów pierwszego miliarda lat kosmosu.

W niezliczonych prezentacjach wyróżniał się jeden zestaw enigmatycznych przedmiotów. Niektórzy astronomowie nazywali je „ukrytymi małymi potworami”. Dla innych były to „małe czerwone kropki”. Jednak bez względu na ich nazwę dane były jasne: kiedy JWST patrzy na młode galaktyki – które pojawiają się jako zwykłe czerwone plamki w ciemności – widzi zaskakującą liczbę z cyklonami wirującymi w ich centrach.

„Wydaje się, że istnieje obfita populacja źródeł, o których nie wiedzieliśmy”, powiedział Eilers, astronom z MIT, „których w ogóle nie spodziewaliśmy się znaleźć”.

W ostatnich miesiącach potok obserwacji kosmicznych smug zachwycił i wprawił astronomów w zakłopotanie.

„Wszyscy mówią o tych małych czerwonych kropkach” – powiedział Wentylator Xiaohui, naukowiec z University of Arizona, który spędził swoją karierę na poszukiwaniu odległych obiektów we wczesnym wszechświecie.

Najprostszym wytłumaczeniem dla galaktyk z sercem tornada jest to, że duże czarne dziury o masie milionów słońc wprawiają obłoki gazu w szał. To odkrycie jest zarówno oczekiwane, jak i kłopotliwe. Oczekuje się, że JWST został zbudowany częściowo w celu znalezienia starożytnych obiektów. Są przodkami gigantycznych czarnych dziur o miliardach słońc, które wydają się pojawiać w kosmicznym zapisie niewytłumaczalnie wcześnie. Badając te prekursorowe czarne dziury, takie jak odkrycie trzech rekordzistów w tym roku, naukowcy mają nadzieję dowiedzieć się, skąd pochodzą pierwsze ogromne czarne dziury i być może określić, która z dwóch konkurujących ze sobą teorii lepiej opisuje ich powstawanie: czy rosły niezwykle szybko, czy po prostu urodzili się wielcy? Jednak obserwacje są również kłopotliwe, ponieważ niewielu astronomów spodziewało się, że JWST znajdzie tak wiele młodych, głodnych czarnych dziur – a ankiety pokazują ich kilkanaście. Próbując rozwiązać poprzednią zagadkę, astronomowie odkryli rzeszę masywnych czarnych dziur, które mogą zmienić ustalone teorie dotyczące gwiazd, galaktyk i nie tylko.

„Jako teoretyk muszę zbudować wszechświat” – powiedział Marta Volonteri, astrofizyk specjalizujący się w czarnych dziurach w Paryskim Instytucie Astrofizyki. Volonteri i jej współpracownicy zmagają się teraz z napływem gigantycznych czarnych dziur we wczesnym kosmosie. „Jeśli są [prawdziwe], całkowicie zmieniają obraz”.

Kosmiczna maszyna czasu

Obserwacje JWST częściowo wstrząsają astronomią, ponieważ teleskop może wykryć światło docierające do Ziemi z głębi kosmosu niż jakakolwiek wcześniejsza maszyna.

„Budowaliśmy ten absurdalnie potężny teleskop przez 20 lat” – powiedział Granta Tremblaya, astrofizyk z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. „Cały sens pierwotnie polegał na zajrzeniu w głąb kosmicznego czasu”.

Jednym z celów misji jest uchwycenie galaktyk w trakcie formowania się podczas pierwszego miliarda lat Wszechświata (z jego mniej więcej 13.8-miliardowej historii). Wstępne obserwacje teleskopu z zeszłego lata wskazywał na młody wszechświat pełen uderzająco dojrzałych galaktyk, ale informacje, które astronomowie mogli wydobyć z takich zdjęć, były ograniczone. Aby naprawdę zrozumieć wczesny Wszechświat, astronomowie potrzebowali czegoś więcej niż tylko obrazów; łaknęli widm tych galaktyk — danych, które pojawiają się, gdy teleskop rozbija przychodzące światło na określone odcienie.

Widma galaktyczne, które JWST zaczął na poważnie przesyłać pod koniec ubiegłego roku, są przydatne z dwóch powodów.

Po pierwsze, pozwoliły astronomom określić wiek galaktyki. Światło podczerwone, które zbiera JWST, jest zaczerwienione lub przesunięte ku czerwieni, co oznacza, że ​​gdy przemierza kosmos, jego długości fal są rozciągane przez rozszerzanie się przestrzeni. Zakres tego przesunięcia ku czerwieni pozwala astronomom określić odległość galaktyki, a co za tym idzie, kiedy pierwotnie emitowała ona światło. Pobliskie galaktyki mają przesunięcie ku czerwieni prawie zerowe. JWST może z łatwością rozpoznawać obiekty poza przesunięciem ku czerwieni równym 5, co odpowiada około 1 miliardowi lat po Wielkim Wybuchu. Obiekty o wyższych przesunięciach ku czerwieni są znacznie starsze i bardziej oddalone.

Po drugie, widma dają astronomom wyobrażenie o tym, co dzieje się w galaktyce. Każdy odcień oznacza interakcję między fotonami a określonymi atomami (lub cząsteczkami). Jeden kolor pochodzi od błyskającego atomu wodoru, który osiada po uderzeniu; inny wskazuje na przemieszane atomy tlenu, a inny azot. Widmo to wzór kolorów, który ujawnia, z czego zbudowana jest galaktyka i co robią te elementy, a JWST zapewnia ten kluczowy kontekst dla galaktyk w niespotykanych dotąd odległościach.

„Dokonaliśmy ogromnego skoku” — powiedział Aayush Saxena, astronom z Uniwersytetu Oksfordzkiego. Fakt, że „mówimy o składzie chemicznym galaktyk z przesunięciem ku czerwieni 9, jest absolutnie niezwykły”.

(Przesunięcie ku czerwieni 9 jest niesamowicie odległe, odpowiada czasowi, w którym wszechświat miał zaledwie 0.55 miliarda lat).

Widma galaktyczne są również doskonałymi narzędziami do znajdowania głównych zakłóceń atomów: gigantycznych czarnych dziur, które czają się w sercach galaktyk. Same czarne dziury są ciemne, ale kiedy żywią się gazem i pyłem, rozrywają atomy, sprawiając, że emitują charakterystyczne kolory. Na długo przed wystrzeleniem JWST astrofizycy mieli nadzieję, że teleskop pomoże im dostrzec te wzorce i znaleźć wystarczająco dużo największych i najbardziej aktywnych czarnych dziur wczesnego Wszechświata, aby rozwiązać zagadkę ich powstania.

Za duży, za wcześnie

Tajemnica zaczęła się ponad 20 lat temu, kiedy zespół kierowany przez Fana zauważył jednego z nich najodleglejsze galaktyki kiedykolwiek obserwowany — genialny kwazar lub galaktyka zakotwiczona w aktywnej supermasywnej czarnej dziurze, ważącej być może miliardy słońc. Miał przesunięcie ku czerwieni równe 5, co odpowiada około 1.1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Przy kolejnych przeglądach nieba Fan i jego koledzy wielokrotnie pobijali własne rekordy, przesuwając granicę przesunięcia ku czerwieni kwazara do 6 w 2001 i ostatecznie do 7.6 w 2021 — zaledwie 0.7 miliarda lat po Wielkim Wybuchu.

Problem polegał na tym, że tworzenie tak gigantycznych czarnych dziur wydawało się niemożliwe na tak wczesnym etapie historii kosmosu.

Jak każdy obiekt, czarne dziury potrzebują czasu, aby rosnąć i formować się. I podobnie jak 6-metrowe dziecko, superwymiarowe czarne dziury Fana były zbyt duże jak na ich wiek — wszechświat nie był wystarczająco stary, aby zgromadziły miliardy słońc wagi. Aby wyjaśnić te przerośnięte maluchy, fizycy byli zmuszeni rozważyć dwie niesmaczne opcje.

Po pierwsze, galaktyki Fana były początkowo wypełnione standardowymi czarnymi dziurami o masie gwiazdowej, jakie często pozostawiają po sobie supernowe. Te następnie rosły zarówno poprzez łączenie, jak i połykanie otaczającego gazu i pyłu. Zwykle, jeśli czarna dziura ucztuje wystarczająco agresywnie, wylew promieniowania odpycha jej kąski. To powstrzymuje szaleństwo karmienia i ustala limit prędkości wzrostu czarnej dziury, który naukowcy nazywają limitem Eddingtona. Ale to miękki sufit: stały potok pyłu mógłby pokonać wylanie promieniowania. Jednak trudno sobie wyobrazić utrzymanie takiego „super-Eddingtona” wzrostu wystarczająco długo, aby wyjaśnić bestie Fana — musiałyby nabrać masy nie do pomyślenia szybko.

A może czarne dziury mogą rodzić się nieprawdopodobnie duże. Obłoki gazu we wczesnym wszechświecie mogły zapadać się bezpośrednio w czarne dziury o masie wielu tysięcy słońc — tworząc obiekty zwane ciężkimi nasionami. Ten scenariusz również jest trudny do zniesienia, ponieważ tak duże, grudkowate obłoki gazu powinny rozpaść się na gwiazdy, zanim uformują się w czarną dziurę.

Jednym z priorytetów JWST jest ocena tych dwóch scenariuszy poprzez spojrzenie w przeszłość i uchwycenie słabszych przodków galaktyk Wachlarza. Te prekursory nie byłyby do końca kwazarami, ale galaktykami z nieco mniejszymi czarnymi dziurami na drodze do stania się kwazarami. Dzięki JWST naukowcy mają największą szansę na wykrycie czarnych dziur, które dopiero co zaczęły rosnąć – obiektów, które są wystarczająco młode i wystarczająco małe, aby naukowcy mogli określić ich wagę urodzeniową.

To jeden z powodów, dla których grupa astronomów z Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS), kierowana przez Dale'a Kocevskiego z Colby College, zaczęła pracować w nadgodzinach, kiedy po raz pierwszy zauważyli oznaki pojawiania się takich młodych czarnych dziur w dniach następujących po Bożym Narodzeniu.

„To dość imponujące, jak wiele ich jest” — napisał Jeyhan Kartaltepe, astronom z Rochester Institute of Technology, podczas dyskusji na Slacku.

„Mnóstwo małych, ukrytych potworów” — odpowiedział Kocevski.

Rosnący tłum potworów

W widmach CEERS kilka galaktyk natychmiast wyskoczyło jako potencjalnie ukrywające małe czarne dziury – małe potwory. W przeciwieństwie do swojego bardziej waniliowego rodzeństwa, te galaktyki emitowały światło, które nie miało tylko jednego wyraźnego odcienia wodoru. Zamiast tego linia wodoru była rozmazana lub poszerzona w zakresie odcieni, co wskazuje, że niektóre fale świetlne zostały zgniecione, gdy orbitujące chmury gazu przyspieszyły w kierunku JWST (tak jak zbliżająca się karetka emituje rosnące zawodzenie, gdy fale dźwiękowe jej syreny są skompresowane), podczas gdy inne fale rozciągały się, gdy chmury odlatywały. Kocevski i jego współpracownicy wiedzieli, że czarne dziury były prawie jedynym obiektem zdolnym do rozrzucania wodoru w ten sposób.

„Jedynym sposobem na zobaczenie szerokiego składnika gazu krążącego wokół czarnej dziury jest spojrzenie w dół cylindra galaktyki i prosto w czarną dziurę” – powiedział Kocevski.

Do końca stycznia zespołowi CEERS udało się stworzyć preprint opisujący dwa „ukryte małe potwory”, jak je nazywali. Następnie grupa postanowiła systematycznie badać szerszy zakres setek galaktyk zebranych przez ich program, aby zobaczyć, ile tam jest czarnych dziur. Ale zostali zgarnięci przez inny zespół, kierowany przez Yuichi Harikane z Uniwersytetu Tokijskiego, zaledwie kilka tygodni później. Grupa Harikane'a przeszukała 185 najodleglejszych galaktyk CEERS i znaleziono 10 z szerokimi liniami wodoru — prawdopodobna praca centralnych czarnych dziur o masie milionów mas Słońca przy przesunięciach ku czerwieni między 4 a 7. Następnie w czerwcu analiza dwóch innych badań przeprowadzonych przez Jorryta Matthee ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu zidentyfikowano jeszcze 20 „małe czerwone kropki” z szerokimi liniami wodoru: czarne dziury wirujące wokół przesunięcia ku czerwieni 5. Analiza wysłane na początku sierpnia zapowiedział kolejnych kilkanaście, z których kilka może nawet być w trakcie powiększania się poprzez fuzję.

„Czekałem na te rzeczy od tak dawna” – powiedział Volonteri. „To było niesamowite.”

Ale niewielu astronomów przewidziało samą liczbę galaktyk z dużą, aktywną czarną dziurą. Dziecięce kwazary w pierwszym roku obserwacji JWST są liczniejsze niż naukowcy przewidywali na podstawie spis dorosłych kwazarów — od 10 do 100 razy bardziej obfite.

„To zaskakujące dla astronoma, że ​​myliliśmy się o rząd wielkości lub nawet więcej” – powiedział Eilers, który przyczynił się do powstania artykułu o małych czerwonych kropkach.

„Zawsze wydawało się, że przy dużym przesunięciu ku czerwieni te kwazary były tylko wierzchołkiem góry lodowej” – powiedziała Stéphanie Juneau, astronom z NOIRLab National Science Foundation i współautorka artykułu o małych potworach. „Możemy odkryć, że pod spodem ta [słabsza] populacja jest jeszcze większa niż zwykła góra lodowa”.

Ci dwaj idą do prawie 11

Ale aby uchwycić przebłyski bestii w ich powijakach, astronomowie wiedzą, że będą musieli znacznie przekroczyć przesunięcia ku czerwieni wynoszące 5 i zajrzeć głębiej w pierwszy miliard lat wszechświata. Ostatnio kilka zespołów zauważyło żerujące czarne dziury z naprawdę niespotykanych odległości.

W marcu, analiza CEERS prowadzona przez Rebeka Larson, astrofizyk z University of Texas w Austin, odkrył szeroką linię wodoru w galaktyce przy przesunięciu ku czerwieni 8.7 (0.57 miliarda lat po Wielkim Wybuchu), ustanawiając nowy rekord dla najbardziej odległej aktywnej czarnej dziury, jaką kiedykolwiek odkryto.

Ale rekord Larsona padł zaledwie kilka miesięcy później, po tym jak astronomowie z JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) dostali w swoje ręce widmo GN-z11. Przy przesunięciu ku czerwieni 10.6 GN-z11 znajdowała się na najsłabszym skraju pola widzenia Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, a naukowcy chętnie badali ją ostrzejszymi oczami. Do lutego JWST spędził ponad 10 godzin obserwując GN-z11 i naukowcy mogli od razu stwierdzić, że galaktyka jest dziwakiem. Jego obfitość azot był „całkowicie nie w porządku”, powiedział Jana Scholtza, członek JADES na Uniwersytecie w Cambridge. Obserwowanie tak dużej ilości azotu w młodej galaktyce było jak spotkanie 6-latka z cieniem o godzinie piątej, zwłaszcza gdy porównano azot ze skromnymi zapasami tlenu w galaktyce, prostszym atomem, który gwiazdy powinny złożyć jako pierwsze.

Współpraca JADES zakończyła się kolejnymi 16 godzinami obserwacji JWST na początku maja. Dodatkowe dane wyostrzyły widmo, ujawniając, że dwa widoczne odcienie azotu były wyjątkowo nierówne – jeden jasny i jeden słaby. Zespół powiedział, że wzorzec wskazuje, że GN-z11 była pełna gęstych obłoków gazu skoncentrowanych przez a przerażająca siła grawitacji.

„Wtedy zdaliśmy sobie sprawę, że patrzymy prosto w dysk akrecyjny czarnej dziury” – powiedział Scholtz. To przypadkowe ustawienie wyjaśnia, dlaczego odległa galaktyka była wystarczająco jasna, aby Hubble mógł ją zobaczyć.

Ekstremalnie młode, głodne czarne dziury, takie jak GN-z11, są dokładnie tymi obiektami, które astrofizycy mieli nadzieję, że rozwiążą problem powstania kwazarów Fana. Ale w pewnym momencie okazuje się, że nawet superlatyw GN-z11 nie jest wystarczająco młody ani wystarczająco mały, aby naukowcy mogli jednoznacznie określić jego masę urodzeniową.

„Musimy zacząć wykrywać masy czarnych dziur przy znacznie wyższym przesunięciu ku czerwieni, nawet niż 11” – powiedział Scholtz. „Rok temu nie miałem pojęcia, że ​​to powiem, ale oto jesteśmy”.

Nuta ciężkości

Do tego czasu astronomowie uciekają się do bardziej subtelnych sztuczek, aby znajdować i badać nowonarodzone czarne dziury, takich jak telefonowanie do przyjaciela — lub innego flagowego teleskopu kosmicznego — po pomoc.

Na początku 2022 roku Volonteri, Tremblay i ich współpracownicy zaczęli okresowo kierować Obserwatorium Rentgenowskie Chandra na gromadę galaktyk, o której wiedzieli, że znajdzie się na krótkiej liście JWST. Gromada działa jak soczewka. Zakrzywia tkaninę czasoprzestrzeni i powiększa znajdujące się za nią bardziej odległe galaktyki. Zespół chciał sprawdzić, czy któraś z tych galaktyk tła emituje promieniowanie rentgenowskie, tradycyjną wizytówkę żarłocznej czarnej dziury.

W ciągu roku Chandra wpatrywała się w soczewkę kosmiczną przez dwa tygodnie – była to jedna z jej najdłuższych dotychczas kampanii obserwacyjnych – i zebrała 19 fotonów rentgenowskich pochodzących z galaktyki o nazwie UHZ1, w przesunięcie ku czerwieni 10.1. Te 19 wysokooktanowych fotonów najprawdopodobniej pochodziło z rosnącej czarnej dziury, która istniała mniej niż pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu, co czyni ją zdecydowanie najbardziej odległym źródłem promieniowania rentgenowskiego, jakie kiedykolwiek wykryto.

Łącząc dane JWST i Chandra, grupa dowiedziała się czegoś dziwnego – i pouczającego. W większości współczesnych galaktyk prawie cała masa znajduje się w gwiazdach, z mniej niż procentem w centralnej czarnej dziurze. Ale w UHZ1 masa wydaje się równo podzielona między gwiazdy i czarną dziurę – czego astronomowie nie spodziewaliby się po akrecji super-Eddingtona.

Bardziej wiarygodne wyjaśnienie, zasugerował zespół, jest to, że centralna czarna dziura UHZ1 narodziła się, gdy gigantyczna chmura zgniotła się w ogromną czarną dziurę, pozostawiając niewiele gazu do tworzenia gwiazd. Te obserwacje "mogą być zgodne z ciężkimi nasionami" - powiedział Tremblay. To „szaleńcze myśleć o tych gigantycznych, gigantycznych kulach gazu, które po prostu się zapadają”.

To wszechświat czarnej dziury

Niektóre z konkretnych ustaleń z szalonej walki widm w ciągu ostatnich kilku miesięcy z pewnością się zmienią, gdy badania przejdą przez wzajemną ocenę. Ale ogólna konkluzja – że młody wszechświat bardzo szybko wytworzył mnóstwo gigantycznych, aktywnych czarnych dziur – prawdopodobnie przetrwa. W końcu kwazary Fana musiały skądś pochodzić.

„Dokładne liczby i szczegóły każdego obiektu pozostają niepewne, ale jest bardzo przekonujące, że znajdujemy dużą populację akreujących czarnych dziur” – powiedział Eilers. „JWST ujawnił je po raz pierwszy i to jest bardzo ekscytujące”.

Dla specjalistów od czarnych dziur jest to objawienie, które dojrzewa od lat. Najnowsze badania nt niechlujne nastoletnie galaktyki we współczesnym wszechświecie wskazywały, że przeoczono aktywne czarne dziury w młodych galaktykach. A teoretycy walczyli, ponieważ ich modele cyfrowe nieustannie tworzyły wszechświaty ze znacznie większą liczbą czarnych dziur niż astronomowie widzieli w prawdziwym.

„Zawsze mówiłem, że moja teoria jest błędna, a obserwacja słuszna, więc muszę poprawić swoją teorię” – powiedział Volonteri. Jednak może rozbieżność nie wskazywała na problem z teorią. „Być może te małe czerwone kropki nie zostały uwzględnione” – powiedziała.

Teraz, gdy płonące czarne dziury okazują się czymś więcej niż tylko kosmicznymi scenami w dojrzewającym wszechświecie, astrofizycy zastanawiają się, czy przekształcenie obiektów w bardziej mięsiste role teoretyczne mogłoby złagodzić inne bóle głowy.

Po przestudiowaniu niektórych pierwszych zdjęć JWST, niektórzy astronomowie szybko zauważyli, że jest to pewne galaktyki wydawały się niemożliwie ciężkie, biorąc pod uwagę ich młody wiek. Ale przynajmniej w niektórych przypadkach oślepiająco jasna czarna dziura może skłonić badaczy do przeszacowania masy otaczających ją gwiazd.

Inną teorią, która może wymagać poprawek, jest tempo, w jakim galaktyki wytwarzają gwiazdy, które w symulacjach galaktyk jest zwykle zbyt wysokie. Kocevski spekuluje, że wiele galaktyk przechodzi przez fazę ukrytego potwora, która powoduje spowolnienie formowania się gwiazd; zaczynają się w kokonie pyłu wytwarzającego gwiazdy, a następnie ich czarna dziura staje się wystarczająco potężna, aby rozproszyć gwiezdną materię w kosmosie, spowalniając powstawanie gwiazd. „Być może patrzymy na ten scenariusz w grze” – powiedział.

Gdy astronomowie podnoszą zasłonę wczesnego wszechświata, akademickie przeczucia przewyższają liczebnie konkretne odpowiedzi. O ile JWST już zmienia sposób, w jaki astronomowie myślą o aktywnych czarnych dziurach, badacze wiedzą, że kosmiczne winiety ujawnione przez teleskop w tym roku to tylko anegdoty w porównaniu z tym, co ma nadejść. Kampanie obserwacyjne, takie jak JADES i CEERS, wykazały, że dziesiątki prawdopodobnych czarnych dziur spoglądają na nie ze skrawków nieba mniej więcej jednej dziesiątej wielkości Księżyca w pełni. Wiele innych młodych czarnych dziur czeka na uwagę teleskopu i jego astronomów.

„Cały ten postęp został dokonany w ciągu pierwszych dziewięciu do dwunastu miesięcy” – powiedział Saxena. „Teraz mamy [JWST] przez następne dziewięć lub 12 lat”.