JWST odkrije ogromne črne luknje po vsem zgodnjem vesolju | Revija Quanta

Leta, preden je bila sploh prepričana, da Vesoljski teleskop James Webb bi se uspešno zagnal, Christina Eilers začel načrtovati konferenco za astronome, specializirane za zgodnje vesolje. Vedela je, da če bi JWST začel opazovati – še bolje, ko bi – imeli ona in njeni kolegi veliko za govoriti. Tako kot časovni stroj je lahko teleskop videl dlje in dlje v preteklost kot kateri koli prejšnji instrument.

Na srečo za Eilers (in ostalo astronomsko skupnost) njeno načrtovanje ni bilo zaman: JWST se je brez težav izstrelil in razmestil, nato pa začel resno preučevati zgodnje vesolje s svojega mesta v vesolju milijon milj stran.

Sredi junija se je približno 150 astronomov zbralo na tehnološkem inštitutu v Massachusettsu na Eilersovi konferenci JWST "First Light". Od JWST-ja ni minilo prav leto dni začel pošiljati slike nazaj na Zemljo. In tako kot je pričakoval Eilers, je teleskop že preoblikoval astronomsko razumevanje prve milijarde let kozmosa.

V neštetih predstavitvah je izstopal en niz enigmatičnih predmetov. Nekateri astronomi so jih imenovali "skrite majhne pošasti". Za druge so bili »majhne rdeče pike«. Toda ne glede na njihovo ime so bili podatki jasni: ko JWST strmi v mlade galaksije - ki so v temi videti kot rdeče pike - vidi presenetljivo število s cikloni, ki se vrtijo v njihovih središčih.

"Zdi se, da obstaja številna populacija virov, za katere nismo vedeli," je dejal Eilers, astronom z MIT, "za katere sploh nismo pričakovali, da jih bomo našli."

V zadnjih mesecih je množica opazovanj kozmičnih madežev razveselila in zmedela astronome.

"Vsi govorijo o teh malih rdečih pikah," je rekel Xiaohui oboževalec, raziskovalec na Univerzi v Arizoni, ki je svojo kariero posvetil iskanju oddaljenih predmetov v zgodnjem vesolju.

Najbolj enostavna razlaga za galaksije s srcem tornada je, da velike črne luknje, ki tehtajo milijone sonc, bičajo plinske oblake v blaznost. Ta ugotovitev je hkrati pričakovana in zaskrbljujoča. Pričakuje se, ker je bil JWST delno zgrajen za iskanje starodavnih predmetov. So predniki črnih lukenj z milijardami sončnih velikanov, za katere se zdi, da se v kozmičnih zapisih pojavijo nerazložljivo zgodaj. Znanstveniki upajo, da bodo s preučevanjem teh predhodnih črnih lukenj, kot so tri rekordne mladice, odkrite letos, izvedeli, od kod izvirajo prve ogromne črne luknje, in morda ugotovili, katera od dveh konkurenčnih teorij bolje opisuje njihov nastanek: ali so rasle izjemno hitro ali so se preprosto rodili veliki? Vendar pa so opazovanja tudi begajoča, ker je le malo astronomov pričakovalo, da bo JWST našel toliko mladih, lačnih črnih lukenj - in raziskave jih obračajo na ducate. V procesu poskusa razrešitve nekdanje skrivnosti so astronomi odkrili množico ogromnih črnih lukenj, ki bi lahko prepisale uveljavljene teorije o zvezdah, galaksijah in drugem.

"Kot teoretik moram zgraditi vesolje," je rekel Marta Volonteri, astrofizik, specializiran za črne luknje na pariškem Inštitutu za astrofiziko. Volonterijeva in njeni kolegi se zdaj spopadajo s pritokom velikanskih črnih lukenj v zgodnjem kozmosu. "Če so [resnične], popolnoma spremenijo sliko."

Kozmični časovni stroj

Opazovanja JWST deloma pretresajo astronomijo, ker lahko teleskop zaznava svetlobo, ki doseže Zemljo globlje v vesolju, kot kateri koli prejšnji stroj.

"Ta absurdno močan teleskop smo gradili več kot 20 let," je dejal Grant Tremblay, astrofizik v centru za astrofiziko Harvard-Smithsonian. "Celoten smisel je bil prvotno pogledati globoko v kozmični čas."

Eden od ciljev misije je ujeti galaksije pri nastajanju v prvi milijardi let vesolja (od njegove približno 13.8 milijarde let dolge zgodovine). Začetna opazovanja teleskopa lansko poletje namigoval na mlado vesolje polna osupljivo zrelih galaksij, vendar so bile informacije, ki bi jih lahko astronomi izvlekli iz takih slik, omejene. Da bi resnično razumeli zgodnje vesolje, so astronomi potrebovali več kot le slike; lačni so bili spektrov teh galaksij - podatkov, ki pridejo, ko teleskop razdeli vhodno svetlobo v posebne odtenke.

Galaktični spektri, ki jih je JWST začel resno pošiljati nazaj konec lanskega leta, so uporabni iz dveh razlogov.

Najprej so astronomom dovolili določiti starost galaksije. Infrardeča svetloba, ki jo zbira JWST, je rdeča ali rdeče zamaknjena, kar pomeni, da se njene valovne dolžine, ko prečka vesolje, raztezajo zaradi širjenja vesolja. Obseg tega rdečega premika astronomom omogoča določitev oddaljenosti galaksije in s tem, kdaj je prvotno oddajala svojo svetlobo. Bližnje galaksije imajo rdeči premik skoraj nič. JWST lahko zlahka razloči predmete, ki presegajo rdeči premik 5, kar ustreza približno 1 milijardi let po velikem poku. Objekti z večjim rdečim premikom so bistveno starejši in bolj oddaljeni.

Drugič, spektri dajejo astronomom občutek, kaj se dogaja v galaksiji. Vsak odtenek označuje interakcijo med fotoni in določenimi atomi (ali molekulami). Ena barva izvira iz atoma vodika, ki utripa, ko se umiri po udarcu; druga označuje stisnjene atome kisika, druga pa dušik. Spekter je vzorec barv, ki razkriva, iz česa je sestavljena galaksija in kaj ti elementi počnejo, JWST pa zagotavlja ta ključni kontekst za galaksije na neprimerljivih razdaljah.

"Naredili smo tako velik preskok," je rekel Aayush Saxena, astronom na Univerzi v Oxfordu. Dejstvo, da "govorimo o kemični sestavi galaksij z rdečim premikom 9, je naravnost izjemno."

(Rdeči premik 9 je osupljivo oddaljen in ustreza času, ko je bilo vesolje staro le 0.55 milijarde let.)

Galaktični spektri so tudi odlično orodje za iskanje velikega motilca atomov: velikanskih črnih lukenj, ki se skrivajo v srcu galaksij. Črne luknje so same po sebi temne, toda ko se hranijo s plinom in prahom, raztrgajo atome, zaradi česar ti oddajajo očitne barve. Dolgo pred izstrelitvijo JWST so astrofiziki upali, da jim bo teleskop pomagal opaziti te vzorce in najti dovolj največjih in najbolj aktivnih črnih lukenj zgodnjega vesolja, da bi rešili skrivnost njihovega nastanka.

Prevelik, prezgodaj

Skrivnost se je začela pred več kot 20 leti, ko je ekipa, ki jo je vodil Fan, opazila enega od najbolj oddaljene galaksije kdaj opazili – briljanten kvazar ali galaksija, zasidrana v aktivno supermasivno črno luknjo, ki tehta morda več milijard sonc. Imel je rdeči premik 5, kar ustreza približno 1.1 milijarde let po velikem poku. Z nadaljnjimi premiki neba so Fan in njegovi kolegi vedno znova podirali lastne rekorde in potisnili mejo rdečega premika kvazarja na 6 v 2001 in na koncu do 7.6 v 2021 — samo 0.7 milijarde let po velikem poku.

Težava je bila v tem, da se je tako zgodaj v kozmični zgodovini zdelo nemogoče ustvariti tako velikanske črne luknje.

Kot vsak predmet, črne luknje potrebujejo čas za rast in oblikovanje. In kot 6-metrski visok malček so bile Fanove velike črne luknje prevelike za njihovo starost – vesolje ni bilo dovolj staro, da bi si nabrale milijarde sonc teže. Da bi razložili te zaraščene malčke, so bili fiziki prisiljeni razmisliti o dveh neokusnih možnostih.

Prvi je bil, da so bile Fanove galaksije na začetku polne standardnih črnih lukenj približno zvezdne mase, kakršne supernove pogosto pustijo za sabo. Ti so nato rasli z združitvijo in požiranjem okoliškega plina in prahu. Običajno, če se črna luknja dovolj agresivno gosti, izliv sevanja odrine njene zalogaje. To ustavi prehranjevalno norijo in postavi mejo hitrosti za rast črne luknje, ki jo znanstveniki imenujejo Eddingtonova meja. Toda to je mehak strop: nenehni hudourniki prahu bi verjetno lahko premagali izlivanje sevanja. Vendar pa si je težko predstavljati, da bi takšno "super-Eddingtonovo" rast vzdrževali dovolj dolgo, da bi razložili Fanove zveri - morali bi se povečati nepredstavljivo hitro.

Ali pa se lahko črne luknje rodijo neverjetno velike. Plinski oblaki v zgodnjem vesolju so se morda zrušili neposredno v črne luknje, ki so tehtale več tisoč sonc, in ustvarile predmete, imenovane težka semena. Tudi ta scenarij je težko sprejeti, saj bi se tako veliki, grudasti plinski oblaki morali razbiti v zvezde, preden nastane črna luknja.

Ena od prednostnih nalog JWST je ovrednotiti ta dva scenarija s pokukanjem v preteklost in lovljenjem šibkejših prednikov Fanovih galaksij. Ti predhodniki ne bi bili povsem kvazarji, ampak galaksije z nekoliko manjšimi črnimi luknjami na poti, da postanejo kvazarji. Z JWST imajo znanstveniki najboljše možnosti, da opazijo črne luknje, ki so komaj začele rasti – objekte, ki so dovolj mladi in majhni, da lahko raziskovalci določijo njihovo porodno težo.

To je eden od razlogov, zakaj je skupina astronomov z raziskavo Cosmic Evolution Early Release Science Survey ali CEERS, ki jo vodi Dale Kocevski s Colby Collegea, začela delati nadure, ko so prvič opazili znake tako mladih črnih lukenj, ki se pojavljajo v dneh po božiču.

"Nekako impresivno je, koliko teh je," je zapisal Jeyhan Kartaltepe, astronom na Rochester Institute of Technology, med razpravo o Slacku.

"Veliko malih skritih pošasti," je odgovoril Kocevski.

Naraščajoča množica pošasti

V spektrih CEERS je nekaj galaksij takoj odskočilo kot potencialno skrivajoče črne luknje - majhne pošasti. V nasprotju s svojimi brati in sestrami barve vanilije so te galaksije oddajale svetlobo, ki ni prispela samo z enim jasnim odtenkom za vodik. Namesto tega je bila vodikova črta razmazana ali razširjena v vrsto odtenkov, kar kaže na to, da so bili nekateri svetlobni valovi zmečkani, ko so krožeči plinski oblaki pospešili proti JWST (tako kot bližajoče se reševalno vozilo oddaja naraščajoče tuljenje, ko so zvočni valovi njegove sirene stisnjeni), drugi valovi so bili raztegnjeni, ko so oblaki odleteli. Kocevski in njegovi sodelavci so vedeli, da so črne luknje skoraj edini predmet, ki lahko na takšen način prenaša vodik.

"Edini način, da vidite široko komponento plina, ki kroži okoli črne luknje, je, če pogledate naravnost navzdol po sodu galaksije in naravnost v črno luknjo," je dejal Kocevski.

Do konca januarja je ekipa CEERS uspela pripraviti prednatis, ki opisuje dve od "skritih malih pošasti", kot so ju poimenovali. Nato se je skupina lotila sistematičnega preučevanja širšega kroga stotin galaksij, ki jih je zbral njihov program, da bi ugotovili, koliko črnih lukenj je tam zunaj. Toda le nekaj tednov pozneje jih je pograbila druga ekipa, ki jo je vodil Yuichi Harikane z Univerze v Tokiu. Harikanejeva skupina je preiskala 185 najbolj oddaljenih galaksij CEERS in najdenih 10 s širokimi vodikovimi črtami – verjetno delo osrednjih črnih lukenj z milijoni sončne mase pri rdečih premikih med 4 in 7. Nato je junija analiza dveh drugih raziskav, ki jih je vodil Jorryt Matthee švicarskega zveznega inštituta za tehnologijo v Zürichu identificiral še 20 "majhne rdeče pike” s širokimi vodikovimi črtami: črne luknje, ki se vrtijo okoli rdečega premika 5. Analiza objavljeno v začetku avgusta napovedal še ducat, od katerih jih je nekaj morda celo v procesu združevanja.

"Tako dolgo sem čakal na te stvari," je rekel Volonteri. "Bilo je neverjetno."

Toda le malo astronomov je pričakovalo ogromno število galaksij z veliko aktivno črno luknjo. Mladi kvazarji v prvem letu opazovanj JWST so večji, kot so znanstveniki predvidevali na podlagi popis odraslih kvazarjev — med 10-krat in 100-krat večjo.

"Za astronoma je presenetljivo, da smo odstopali za red velikosti ali celo več," je dejal Eilers, ki je prispeval k papirju z majhnimi rdečimi pikami.

"Vedno se je zdelo, kot da so ti kvazarji pri velikem rdečem premiku samo vrh ledene gore," je povedala Stéphanie Juneau, astronomka pri NOIRLab Nacionalne znanstvene fundacije in soavtorica članka o majhnih pošastih. "Morda bomo ugotovili, da je spodaj ta [šibkejša] populacija celo večja od navadne ledene gore."

Ta dva gresta skoraj do 11

A astronomi vedo, da bodo morali, da bi lahko opazili zveri v njihovem povoju, preseči rdeči premik 5 in pogledati globlje v prvo milijardo let vesolja. V zadnjem času je več ekip opazilo črne luknje, ki se prehranjujejo na resnično neprimerljivih razdaljah.

V marcu, analizo CEERS, ki jo vodi Rebecca Larson, astrofizik na teksaški univerzi v Austinu, je odkril široko vodikovo črto v galaksiji pri rdečem premiku 8.7 (0.57 milijarde let po velikem poku) in postavil nov rekord za najbolj oddaljeno aktivno črno luknjo, ki je bila kdaj odkrita.

Toda Larsonov rekord je padel le nekaj mesecev pozneje, potem ko so astronomi v sodelovanju z JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) dobili v roke spekter GN-z11. Pri rdečem premiku 10.6 je bil GN-z11 na najbolj šibkem robu vidnega polja Hubblovega vesoljskega teleskopa in znanstveniki so ga želeli preučiti z ostrejšimi očmi. Do februarja je JWST porabil več kot 10 ur za opazovanje GN-z11 in raziskovalci so lahko takoj ugotovili, da je galaksija čudaška. Njegovo obilje dušik je bil "popolnoma brez moči," je rekel Jan Scholtz, član JADES na Univerzi v Cambridgeu. Videti toliko dušika v mladi galaksiji je bilo kot srečati 6-letnika s senco ob petih, še posebej, če dušik primerjamo s skromnimi zalogami kisika v galaksiji, preprostejšim atomom, ki bi ga morale zvezde najprej sestaviti.

Sodelovanje JADES je v začetku maja sledilo še približno 16 opazovalnim uram JWST. Dodatni podatki so izostrili spekter in razkrili, da sta dva vidna odtenka dušika izjemno neenakomerna - en svetel in en šibek. Vzorec, je dejala ekipa, kaže, da je GN-z11 poln oblakov gostega plina, koncentriranega z strašljiva gravitacijska sila.

"Takrat smo ugotovili, da zremo naravnost v akrecijski disk črne luknje," je dejal Scholtz. Ta naključna poravnava pojasnjuje, zakaj je bila oddaljena galaksija dovolj svetla, da jo je Hubble sploh videl.

Izjemno mlade, lačne črne luknje, kot je GN-z11, so natančni predmeti, za katere so astrofiziki upali, da bodo rešili zagato, kako so nastali Fanovi kvazarji. Toda v zasuku se izkaže, da niti vrhunski GN-z11 ni dovolj mlad ali dovolj majhen, da bi lahko raziskovalci dokončno določili njegovo rojstno maso.

"Moramo začeti zaznavati mase črnih lukenj pri precej višjem rdečem premiku, tudi kot 11," je dejal Scholtz. "Pred letom dni nisem vedel, da bom to rekel, a tukaj smo."

Pridih teže

Do takrat se astronomi zatekajo k bolj subtilnim trikom za iskanje in preučevanje novorojenih črnih lukenj, trikom, kot je telefoniranje prijatelja - ali drugega vodilnega vesoljskega teleskopa - za pomoč.

V začetku leta 2022 so Volonteri, Tremblay in njihovi sodelavci začeli redno usmerjati Nasin rentgenski observatorij Chandra v jato galaksij, za katero so vedeli, da bo na ožjem seznamu JWST. Grozd deluje kot leča. Upogiba tkanino prostora-časa in poveča bolj oddaljene galaksije za seboj. Ekipa je želela videti, ali katera od teh galaksij v ozadju oddaja rentgenske žarke, tradicionalno vizitko požrešne črne luknje.

V teku enega leta je Chandra dva tedna strmel v kozmično lečo, kar je bila ena njegovih najdaljših opazovalnih kampanj doslej, in zbral 19 rentgenskih fotonov, ki prihajajo iz galaksije, imenovane UHZ1, na rdeči premik 10.1. Teh 19 visokooktanskih fotonov je najverjetneje prišlo iz rastoče črne luknje, ki je obstajala manj kot pol milijarde let po velikem poku, zaradi česar je daleč najbolj oddaljen vir rentgenskih žarkov, kar so jih kdaj zaznali.

Z združevanjem podatkov JWST in Chandra se je skupina naučila nekaj čudnega - in informativnega. V večini sodobnih galaksij je skoraj vsa masa v zvezdah, z manj kot odstotkom ali več v osrednji črni luknji. Toda v UHZ1 se zdi, da je masa enakomerno razdeljena med zvezde in črno luknjo - kar ni vzorec, ki bi ga astronomi pričakovali za akrecijo super-Eddington.

Bolj verjetna razlaga, je predlagala ekipa, je, da se je osrednja črna luknja UHZ1 rodila, ko se je ogromen oblak zmečkal v ogromno črno luknjo in za seboj pustil malo plina za ustvarjanje zvezd. Te ugotovitve "bi lahko bile skladne s težkim semenom," je dejal Tremblay. »Noro je razmišljati o teh velikanskih, velikanskih kroglah plina, ki se preprosto zrušijo«.

To je vesolje črne luknje

Nekatere posebne ugotovitve iz prerivanja norih spektrov v zadnjih nekaj mesecih se bodo zagotovo spremenile, ko bodo študije potekale med strokovnim pregledom. Toda splošni zaključek - da je mlado vesolje izredno hitro ustvarilo množico velikanskih aktivnih črnih lukenj - bo verjetno preživel. Navsezadnje so morali Fanovi kvazarji od nekod priti.

"Natančne številke in podrobnosti o vsakem predmetu ostajajo negotove, vendar je zelo prepričljivo, da najdemo veliko populacijo kopičečih se črnih lukenj," je dejal Eilers. "JWST jih je prvič razkril in to je zelo razburljivo."

Za specialiste za črne luknje je to razodetje, ki se je pripravljalo leta. Nedavne študije o neurejene mladostniške galaksije v sodobnem vesolju namigoval, da so aktivne črne luknje v mladih galaksijah spregledane. In teoretiki so se borili, ker so njihovi digitalni modeli ves čas ustvarjali vesolja z veliko več črnimi luknjami, kot so jih astronomi videli v pravem.

"Vedno sem govoril, da je moja teorija napačna in opazovanje pravilno, zato moram popraviti svojo teorijo," je dejal Volonteri. Vendar morda neskladje ni kazalo na težavo s teorijo. "Mogoče te majhne rdeče pike niso bile upoštevane," je rekla.

Zdaj, ko se izkaže, da so goreče črne luknje več kot le kozmične kameje v dozorevajočem vesolju, se astrofiziki sprašujejo, ali bi lahko preoblikovanje predmetov v bolj mesne teoretične vloge ublažilo nekatere druge glavobole.

Po preučevanju nekaterih prvih slik JWST so nekateri astronomi hitro ugotovili, da so nekatere galaksije zdeli neverjetno težki glede na njihovo mladost. Toda vsaj v nekaterih primerih bi lahko slepeča črna luknja povzročila, da raziskovalci precenijo težo okoliških zvezd.

Druga teorija, ki jo bo morda treba prilagoditi, je hitrost, s katero galaksije proizvajajo zvezde, ki je v simulacijah galaksij ponavadi previsoka. Kocevski špekulira, da gre veliko galaksij skozi fazo skritih pošasti, ki povzroči upočasnitev nastajanja zvezd; začnejo zapredevati v prahu za ustvarjanje zvezd, nato pa njihova črna luknja postane dovolj močna, da razprši zvezdne stvari v vesolje in upočasni nastajanje zvezd. "Morda gledamo ta scenarij v igri," je dejal.

Ko astronomi odstirajo tančico zgodnjega vesolja, akademske slutnje presegajo število konkretnih odgovorov. Čeprav JWST že spreminja razmišljanje astronomov o aktivnih črnih luknjah, raziskovalci vedo, da so kozmične vinjete, ki jih je letos razkril teleskop, le anekdote v primerjavi s tem, kar prihaja. Pri opazovanju kampanj, kot sta JADES in CEERS, so našli na desetine verjetnih črnih lukenj, ki strmijo vanje iz kosov neba, ki so veliki približno desetino polne lune. Veliko več otroških črnih lukenj čaka na pozornost teleskopa in njegovih astronomov.

"Ves ta napredek je bil dosežen v prvih devetih do dvanajstih mesecih," je dejal Saxena. "Zdaj imamo [JWST] za naslednjih devet ali deset let."