JWST descoperă găuri negre uriașe peste tot în universul timpuriu | Revista Quanta

Cu ani înainte chiar ea era sigură că Telescopul spațial James Webb s-ar lansa cu succes, Christina Eilers a început să planifice o conferință pentru astronomii specializați în universul timpuriu. Ea știa că dacă – de preferință, când – JWST începea să facă observații, ea și colegii ei ar avea multe despre ce să vorbească. Ca o mașină a timpului, telescopul putea vedea mai departe și mai departe în trecut decât orice instrument anterior.

Din fericire pentru Eilers (și pentru restul comunității astronomice), planificarea ei nu a fost în zadar: JWST s-a lansat și s-a desfășurat fără probleme, apoi a început să scruteze în mod serios universul timpuriu, de la cocoța sa din spațiu, la un milion de mile distanță.

La mijlocul lunii iunie, aproximativ 150 de astronomi s-au adunat la conferința „First Light” a Institutului de Tehnologie din Massachusetts pentru Eilers. Nu trecuse chiar un an de la JWST a început să trimită imagini înapoi pe Pământ. Și așa cum anticipase Eilers, telescopul deja remodela înțelegerea de către astronomi a primului miliard de ani ai cosmosului.

Un set de obiecte enigmatice s-a remarcat în nenumăratele prezentări. Unii astronomi i-au numit „micuți monștri ascunși”. Pentru alții, erau „puncte roșii”. Dar oricare ar fi numele lor, datele erau clare: atunci când JWST se uită la galaxii tinere – care apar ca simple pete roșii în întuneric – vede un număr surprinzător cu cicloni care se agita în centrele lor.

„Se pare că există o populație abundentă de surse despre care nu știam”, a spus Eilers, astronom la MIT, „pe care nu anticipam deloc să le găsim”.

În ultimele luni, un torent de observații ale petelor cosmice i-a încântat și derutat pe astronomi.

„Toată lumea vorbește despre aceste puncte roșii”, a spus Fan Xiaohui, un cercetător de la Universitatea din Arizona care și-a petrecut cariera căutând obiecte îndepărtate în universul timpuriu.

Cea mai simplă explicație pentru galaxiile cu inimă de tornadă este că găurile negre mari, care cântăresc milioane de sori, împing norii de gaz într-o frenezie. Această constatare este atât de așteptată, cât și de nedumerită. Este de așteptat deoarece JWST a fost construit, parțial, pentru a găsi obiectele antice. Ei sunt strămoșii găurilor negre de miliarde de soare care par să apară în înregistrarea cosmică inexplicabil de devreme. Studiind aceste găuri negre precursoare, cum ar fi trei tineri care au stabilit recordurile descoperite în acest an, oamenii de știință speră să afle de unde provin primele găuri negre uriașe și poate să identifice care dintre cele două teorii concurente descrie mai bine formarea lor: au crescut extrem de rapid sau pur și simplu s-au născut mari? Cu toate acestea, observațiile sunt, de asemenea, nedumeritoare, deoarece puțini astronomi se așteptau ca JWST să găsească atât de multe găuri negre tinere și înfometate - iar studiile le descoperă cu duzină. În încercarea de a rezolva fostul mister, astronomii au descoperit o mulțime de găuri negre voluminoase care ar putea rescrie teorii consacrate despre stele, galaxii și multe altele.

„Ca teoretician, trebuie să construiesc un univers”, a spus Marta Volonteri, un astrofizician specializat în găuri negre la Institutul de Astrofizică din Paris. Volonteri și colegii ei se luptă acum cu afluxul de găuri negre uriașe în cosmosul timpuriu. „Dacă sunt [reale], schimbă complet imaginea.”

O mașină cosmică a timpului

Observațiile JWST zguduie astronomia, în parte, deoarece telescopul poate detecta lumina care ajunge la Pământ din spațiul mai adânc decât orice mașină anterioară.

„Am construit acest telescop absurd de puternic timp de 20 de ani”, a spus Grant Tremblay, astrofizician la Centrul Harvard-Smithsonian pentru Astrofizică. „Inițial, scopul a fost de a privi adânc în timpul cosmic.”

Unul dintre obiectivele misiunii este de a prinde galaxiile în curs de formare în timpul primului miliard de ani ai universului (din istoria sa de aproximativ 13.8 miliarde de ani). Observațiile inițiale ale telescopului din vara trecută a făcut aluzie la un univers tânăr plin de galaxii uimitor de mature, dar informațiile pe care astronomii le puteau extrage din astfel de imagini erau limitate. Pentru a înțelege cu adevărat universul timpuriu, astronomii aveau nevoie de mai mult decât de imagini; ei tânjeau după spectrele acelor galaxii - datele care vin atunci când telescopul sparge lumina primită în nuanțe specifice.

Spectrele galactice, pe care JWST a început să le trimită înapoi cu seriozitate la sfârșitul anului trecut, sunt utile din două motive.

În primul rând, i-au lăsat pe astronomi să descopere vârsta galaxiei. Lumina infraroșie pe care o colectează JWST este înroșită sau deplasată în roșu, ceea ce înseamnă că, pe măsură ce traversează cosmosul, lungimile de undă sunt întinse de expansiunea spațiului. Amploarea acestei deplasări către roșu le permite astronomilor să determine distanța unei galaxii și, prin urmare, momentul în care aceasta și-a emis inițial lumina. Galaxiile din apropiere au o deplasare spre roșu de aproape zero. JWST poate distinge cu ușurință obiecte dincolo de o deplasare spre roșu de 5, care corespunde la aproximativ 1 miliard de ani după Big Bang. Obiectele la deplasări mai mari spre roșu sunt semnificativ mai vechi și mai îndepărtate.

În al doilea rând, spectrele oferă astronomilor o idee despre ceea ce se întâmplă într-o galaxie. Fiecare nuanță marchează o interacțiune între fotoni și atomi (sau molecule) specifici. O culoare provine dintr-un atom de hidrogen care clipește în timp ce se stabilește după o umflare; altul indică atomi de oxigen împinsi, iar altul azot. Un spectru este un model de culori care dezvăluie din ce este făcută o galaxie și ce fac acele elemente, iar JWST oferă acel context crucial pentru galaxii la distanțe fără precedent.

„Am făcut un salt atât de uriaș”, a spus Aayush Saxena, astronom la Universitatea din Oxford. Faptul că „vorbim despre compoziția chimică a galaxiilor cu deplasare spre roșu 9 este absolut remarcabil”.

(Redshift 9 este uluitor de îndepărtat, corespunzând unei perioade în care universul avea doar 0.55 miliarde de ani.)

Spectrele galactice sunt, de asemenea, instrumente perfecte pentru a găsi un perturbator major al atomilor: găurile negre gigantice care pândesc în inimile galaxiilor. Găurile negre în sine sunt întunecate, dar atunci când se hrănesc cu gaz și praf, rup atomii, făcându-i să emită culori revelatoare. Cu mult înainte de lansarea JWST, astrofizicienii sperau că telescopul îi va ajuta să identifice aceste modele și să găsească suficiente dintre cele mai mari și mai active găuri negre ale universului timpuriu pentru a rezolva misterul modului în care s-au format.

Prea mare, prea devreme

Misterul a început în urmă cu mai bine de 20 de ani, când o echipă condusă de Fan a zărit una dintre ele cele mai îndepărtate galaxii observat vreodată – un quasar strălucitor sau o galaxie ancorată într-o gaură neagră supermasivă activă, care cântărește poate miliarde de sori. A avut o deplasare spre roșu de 5, care corespunde la aproximativ 1.1 miliarde de ani după Big Bang. Cu mai multe mături ale cerului, Fan și colegii săi și-au doborât în ​​mod repetat propriile recorduri, împingând granița cu deplasarea către roșu a quasarului la 6 în 2001 și în cele din urmă să 7.6 în 2021 — la doar 0.7 miliarde de ani după Big Bang.

Problema era că realizarea unor astfel de găuri negre gigantice părea imposibilă atât de timpuriu în istoria cosmică.

Ca orice obiect, găurile negre au nevoie de timp pentru a crește și a se forma. Și ca un copil de 6 picioare înălțime, găurile negre uriașe ale lui Fan erau prea mari pentru vârsta lor - universul nu era suficient de vechi pentru ca ei să fi acumulat miliarde de sori de greutate. Pentru a explica acei copii mari, fizicienii au fost forțați să ia în considerare două opțiuni dezagreabile.

Primul a fost că galaxiile lui Fan au început umplute cu găuri negre standard, de masă aproximativ stelară, de genul pe care supernovele le lasă adesea în urmă. Acestea au crescut apoi atât prin fuziune, cât și prin înghițirea gazelor și prafului din jur. În mod normal, dacă o gaură neagră se sărbătorește suficient de agresiv, o revărsare de radiații îi împinge bucățile. Acest lucru oprește frenezia hrănirii și stabilește o limită de viteză pentru creșterea găurii negre, pe care oamenii de știință o numesc limita Eddington. Dar este un tavan moale: un torent constant de praf ar putea depăși revărsarea radiațiilor. Cu toate acestea, este greu de imaginat să susținem o astfel de creștere „super-Eddington” suficient de mult pentru a explica fiarele lui Fan - ar fi trebuit să se înmulțească de neconceput de repede.

Sau poate că găurile negre se pot naște improbabil de mari. Este posibil ca norii de gaz din universul timpuriu să se fi prăbușit direct în găuri negre cântărind multe mii de sori - producând obiecte numite semințe grele. Acest scenariu este și greu de acceptat, deoarece norii de gaz atât de mari și bulgări ar trebui să se fractureze în stele înainte de a forma o gaură neagră.

Una dintre prioritățile JWST este de a evalua aceste două scenarii, privind în trecut și prinzând strămoșii mai slabi ai galaxiilor lui Fan. Acești precursori nu ar fi chiar quasari, ci galaxii cu găuri negre ceva mai mici pe cale de a deveni quasari. Cu JWST, oamenii de știință au cea mai mare șansă de a observa găuri negre care abia au început să crească - obiecte care sunt suficient de mici și suficient de mici pentru ca cercetătorii să-și pună în cuie greutatea la naștere.

Acesta este unul dintre motivele pentru care un grup de astronomi cu Cosmic Evolution Early Release Science Survey, sau CEERS, condus de Dale Kocevski de la Colby College, a început să lucreze peste orele suplimentare când au observat pentru prima dată semne ale unor astfel de găuri negre tinere apărând în zilele următoare Crăciunului.

„Este cam impresionant cât de multe dintre acestea sunt”, a scris Jeyhan Kartaltepe, astronom la Institutul de Tehnologie Rochester, în timpul unei discuții despre Slack.

„O mulțime de mici monștri ascunși”, a răspuns Kocevski.

O mulțime de monștri în creștere

În spectrele CEERS, câteva galaxii au sărit imediat ca potențial ascunzătoare de mici găuri negre - micii monștri. Spre deosebire de frații lor mai vanilie, aceste galaxii au emis lumină care nu a sosit cu o singură nuanță clară pentru hidrogen. În schimb, linia de hidrogen a fost mânjită, sau lărgită, într-o gamă de nuanțe, ceea ce indică faptul că unele unde luminoase au fost strivite pe măsură ce norii de gaz orbitanți accelerau spre JWST (la fel cum o ambulanță care se apropie emite un urlet în creștere când undele sonore ale sirenei sale sunt comprimate), în timp ce altele valurile erau întinse în timp ce norii zburau. Kocevski și colegii săi știau că găurile negre erau aproape singurul obiect capabil să arunce hidrogen în așa fel.

„Singura modalitate de a vedea componenta largă a gazului care orbitează în jurul găurii negre este dacă priviți chiar în josul barilului galaxiei și chiar în gaura neagră”, a spus Kocevski.

Până la sfârșitul lunii ianuarie, echipa CEERS a reușit să realizeze o preprint care descrie doi dintre „micuții monștri ascunși”, așa cum îi spuneau ei. Apoi, grupul și-a propus să studieze în mod sistematic o zonă mai largă a sutelor de galaxii colectate de programul lor pentru a vedea câte găuri negre erau acolo. Dar au fost capturați de o altă echipă, condusă de Yuichi Harikane de la Universitatea din Tokyo, doar câteva săptămâni mai târziu. Grupul lui Harikane a căutat 185 dintre cele mai îndepărtate galaxii CEERS și găsit 10 cu linii largi de hidrogen — lucrarea probabilă a găurilor negre centrale cu o masă solară de un milion de deplasări către roșu între 4 și 7. Apoi, în iunie, o analiză a altor două sondaje conduse de Jorryt Matthee de la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Zurich a identificat încă 20 de „puncte mici rosii” cu linii largi de hidrogen: găuri negre agitate în jurul redshiftului 5. O analiză postat la începutul lunii august a anunțat încă o duzină, dintre care câteva pot fi chiar în proces de creștere prin fuziune.

„Am așteptat aceste lucruri de atât de mult timp”, a spus Volonteri. „A fost incredibil.”

Dar puțini astronomi au anticipat numărul mare de galaxii cu o gaură neagră mare și activă. Copii quasari din primul an de observații al JWST sunt mai numeroși decât au prezis oamenii de știință pe baza studiului. recensământul quasarilor adulți — între 10 și 100 de ori mai abundent.

„Este surprinzător pentru un astronom că ne-am oprit cu un ordin de mărime sau chiar mai mult”, a spus Eilers, care a contribuit la lucrarea cu puncte roșii.

„Întotdeauna s-a simțit că la deplasarea spre roșu ridicată, acești quasari erau doar vârful aisbergului”, a spus Stéphanie Juneau, astronom la NOIRLab al Fundației Naționale de Știință și co-autor al lucrării despre micii monștri. „S-ar putea să descoperim că dedesubt, această populație [mai slabă] este chiar mai mare decât doar aisbergul obișnuit.”

Aceste două merg la aproape 11

Dar pentru a vedea animalele aflate în copilărie, astronomii știu că vor trebui să depășească cu mult deplasările spre roșu de 5 și să privească mai adânc în primele miliarde de ani ai universului. Recent, mai multe echipe au observat găuri negre care se hrănesc la distanțe cu adevărat fără precedent.

În martie, o analiză CEERS condusă de Rebecca Larson, un astrofizician de la Universitatea din Texas, Austin, a descoperit o linie largă de hidrogen într-o galaxie la o deplasare către roșu de 8.7 (0.57 miliarde de ani după Big Bang), stabilind un nou record pentru cea mai îndepărtată găură neagră activă descoperită vreodată.

Dar recordul lui Larson a scăzut doar câteva luni mai târziu, după ce astronomii cu colaborarea JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) au pus mâna pe spectrul GN-z11. La deplasarea spre roșu 10.6, GN-z11 se afla la cea mai slabă margine a viziunii telescopului spațial Hubble, iar oamenii de știință erau dornici să-l studieze cu ochi mai ascuțiți. Până în februarie, JWST a petrecut mai mult de 10 ore observând GN-z11, iar cercetătorii și-au dat seama imediat că galaxia era o ciudată. Abundența sa de azot a fost „complet dezordonat”, a spus Jan Scholtz, membru JADES la Universitatea din Cambridge. A vedea atât de mult azot într-o galaxie tânără a fost ca și cum ai întâlni un copil de 6 ani cu o umbră de la ora cinci, mai ales când azotul a fost comparat cu rezervele slabe de oxigen ale galaxiei, un atom mai simplu pe care stelele ar trebui să-l asamblate mai întâi.

Colaborarea JADES a continuat cu alte 16 ore de observare JWST la începutul lunii mai. Datele suplimentare au clarificat spectrul, dezvăluind că două nuanțe vizibile de azot erau extrem de inegale - una strălucitoare și alta slabă. Modelul, a spus echipa, a indicat că GN-z11 era plin de nori denși de gaz concentrați de o forță gravitațională înfricoșătoare.

„Atunci ne-am dat seama că ne uitam fix în discul de acreție al găurii negre”, a spus Scholtz. Această aliniere fortuită explică de ce galaxia îndepărtată a fost suficient de strălucitoare pentru ca Hubble să o vadă în primul rând.

Găurile negre extrem de tinere și înfometate, cum ar fi GN-z11, sunt exact obiectele pe care astrofizicienii sperau să rezolve dilema cu privire la modul în care au apărut quasarii lui Fan. Dar într-o întorsătură, se dovedește că nici măcar superlativul GN-z11 nu este suficient de tânăr sau suficient de mic pentru ca cercetătorii să-și determine în mod concludent masa la naștere.

„Trebuie să începem să detectăm mase de găuri negre la deplasarea spre roșu mult mai mare, chiar și de 11”, a spus Scholtz. „Nu aveam idee că voi spune asta acum un an, dar iată-ne.”

Un indiciu de greutate

Până atunci, astronomii recurg la trucuri mai subtile pentru a găsi și a studia găurile negre nou-născute, trucuri precum a suna un prieten – sau alt telescop spațial emblematic – pentru ajutor.

La începutul lui 2022, Volonteri, Tremblay și colaboratorii lor au început să îndrepte periodic Observatorul de raze X Chandra al NASA către un cluster de galaxii despre care știau că va fi pe lista scurtă a JWST. Clusterul acționează ca o lentilă. Îndoaie țesătura spațiu-timpului și mărește galaxiile mai îndepărtate din spatele său. Echipa a vrut să vadă dacă vreuna dintre acele galaxii de fundal scuipa raze X, o carte de vizită tradițională a unei găuri negre vorace.

Pe parcursul unui an, Chandra s-a uitat la lentila cosmică timp de două săptămâni – una dintre cele mai lungi campanii de observare de până acum – și a colectat 19 fotoni cu raze X provenind dintr-o galaxie numită UHZ1, la o deplasare spre roșu de 10.1. Acești 19 fotoni cu octan ridicat provin cel mai probabil dintr-o gaură neagră în creștere care a existat la mai puțin de jumătate de miliard de ani după Big Bang, ceea ce o face de departe cea mai îndepărtată sursă de raze X detectată vreodată.

Combinând datele JWST și Chandra, grupul a învățat ceva ciudat - și informativ. În majoritatea galaxiilor moderne, aproape toată masa se află în stele, cu mai puțin de un procent sau cam așa ceva în gaura neagră centrală. Dar în UHZ1, masa pare împărțită uniform între stele și gaura neagră – care nu este modelul pe care astronomii s-ar fi așteptat pentru acumularea super-Eddington.

O explicație mai plauzibilă, a sugerat echipa, este că gaura neagră centrală a UHZ1 s-a născut când un nor gigant sa mototolit într-o gaură neagră uriașă, lăsând puțin gaz în urmă pentru a face stele. Aceste observații „ar putea fi în concordanță cu o sămânță grea”, a spus Tremblay. Este „nebunesc să te gândești la aceste bile gigantice de gaz care pur și simplu se prăbușesc”.

Este un univers de gaură neagră

Unele dintre concluziile specifice din amestecul de spectre nebunești din ultimele luni se vor schimba pe măsură ce studiile trec prin evaluarea inter pares. Dar concluzia generală - că universul tânăr a declanșat extrem de repede o mulțime de găuri negre gigantice și active - este probabil să supraviețuiască. La urma urmei, quasarii lui Fan trebuiau să vină de undeva.

„Numerele exacte și detaliile fiecărui obiect rămân incerte, dar este foarte convingător că găsim o populație mare de găuri negre care se acumulează”, a spus Eilers. „JWST le-a dezvăluit pentru prima dată, iar asta este foarte interesant.”

Pentru specialiștii în găuri negre, este o revelație care se pregătește de ani de zile. Studii recente despre galaxii adolescentine dezordonate în universul modern a sugerat că găurile negre active din galaxiile tinere erau trecute cu vederea. Iar teoreticienii s-au luptat pentru că modelele lor digitale au produs continuu universuri cu mult mai multe găuri negre decât au văzut astronomii în cel real.

„Întotdeauna am spus că teoria mea este greșită și observația este corectă, așa că trebuie să-mi repar teoria”, a spus Volonteri. Totuși, poate că discrepanța nu a indicat o problemă cu teorie. „Poate că aceste puncte roșii nu au fost luate în considerare”, a spus ea.

Acum, că găurile negre arzătoare se dovedesc a fi mai mult decât simple camee cosmice într-un univers în curs de maturizare, astrofizicienii se întreabă dacă reformarea obiectelor în roluri teoretice mai carnoase ar putea atenua alte dureri de cap.

După ce au studiat unele dintre primele imagini ale lui JWST, unii astronomi au subliniat rapid că este sigur galaxii păreau incredibil de grele, având în vedere tinerețea lor. Dar, în cel puțin unele cazuri, o gaură neagră orbitor de strălucitoare ar putea determina cercetătorii să supraestimeze volumul stelelor din jur.

O altă teorie care ar putea avea nevoie de ajustări este rata cu care galaxiile produc stele, care tinde să fie prea mare în simulările galaxiilor. Kocevski speculează că multe galaxii trec printr-o fază de monstru ascuns care determină încetinirea formării stelare; ei încep învăluiți în praf care produce stele, iar apoi gaura lor neagră devine suficient de puternică pentru a împrăștia chestiile stelare în cosmos, încetinind formarea stelelor. „S-ar putea să ne uităm la acel scenariu în joc”, a spus el.

Pe măsură ce astronomii ridică vălul universului timpuriu, bănuielile academice depășesc numărul răspunsurilor concrete. Întrucât JWST schimbă deja modul în care astronomii gândesc despre găurile negre active, cercetătorii știu că vignetele cosmice dezvăluite de telescop anul acesta sunt doar anecdote în comparație cu ceea ce va urma. Campanii de observare precum JADES și CEERS au descoperit zeci de găuri negre care se uitau la ele din bucăți de cer de aproximativ o zecime din dimensiunea lunii pline. Multe alte găuri negre pentru copii așteaptă atenția telescopului și a astronomilor săi.

„Toate aceste progrese au fost realizate în primele nouă până la 12 luni”, a spus Saxena. „Acum avem [JWST] pentru următorii nouă sau 10 ani.”