JWST พบหลุมดำขนาดยักษ์ทั่วเอกภพยุคแรก | นิตยสารควอนตั้ม

หลายปีก่อนที่เธอจะแน่ใจด้วยซ้ำว่า กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ จะเปิดตัวได้สำเร็จ คริสติน่า ไอเลอร์ส เริ่มวางแผนการประชุมสำหรับนักดาราศาสตร์ที่เชี่ยวชาญเกี่ยวกับเอกภพในยุคแรกเริ่ม เธอรู้ว่าหาก JWST เริ่มสังเกตการณ์ เธอและเพื่อนร่วมงานจะมีเรื่องให้ต้องคุยกันมากมาย เช่นเดียวกับไทม์แมชชีน กล้องโทรทรรศน์สามารถมองเห็นได้ไกลออกไปและไกลออกไปในอดีตมากกว่าเครื่องมือใดๆ ก่อนหน้านี้

โชคดีสำหรับ Eilers (และคนอื่นๆ ในชุมชนดาราศาสตร์) การวางแผนของเธอไม่เสียเปล่า: JWST เปิดตัวและใช้งานโดยไม่มีข้อผูกมัด จากนั้นจึงเริ่มพิจารณาเอกภพในยุคแรกเริ่มอย่างจริงจังจากที่เกาะของมันในอวกาศที่อยู่ห่างออกไปหนึ่งล้านไมล์

ในช่วงกลางเดือนมิถุนายน นักดาราศาสตร์ประมาณ 150 คนมารวมตัวกันที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์สำหรับการประชุม JWST “First Light” ของ Eilers ผ่านไปไม่ถึงหนึ่งปีนับตั้งแต่ JWST เริ่มส่งภาพ กลับสู่โลก และเป็นไปตามที่ Eilers คาดการณ์ไว้ กล้องโทรทรรศน์ได้ปรับเปลี่ยนความเข้าใจของนักดาราศาสตร์เกี่ยวกับพันล้านปีแรกของเอกภพแล้ว

วัตถุปริศนาชุดหนึ่งโดดเด่นในงานนำเสนอมากมาย นักดาราศาสตร์บางคนเรียกพวกมันว่า “สัตว์ประหลาดตัวน้อยที่ซ่อนอยู่” สำหรับคนอื่นๆ พวกเขาคือ “จุดสีแดงเล็กๆ” แต่ไม่ว่าพวกมันจะชื่ออะไร ข้อมูลก็ชัดเจน เมื่อ JWST จ้องมองกาแลคซีอายุน้อย ซึ่งปรากฏเป็นเพียงจุดสีแดงในความมืด มันเห็นตัวเลขที่น่าประหลาดใจพร้อมกับพายุไซโคลนที่หมุนวนในใจกลางของพวกมัน

“ดูเหมือนจะมีแหล่งข้อมูลมากมายที่เราไม่รู้จัก” ไอเลอร์ส นักดาราศาสตร์จาก MIT กล่าว “ซึ่งเราไม่ได้คาดหวังว่าจะพบเลย”

ในช่วงหลายเดือนที่ผ่านมา การสังเกตการณ์รอยเปื้อนของจักรวาลเป็นจำนวนมากทำให้นักดาราศาสตร์รู้สึกยินดีและสับสน

“ทุกคนกำลังพูดถึงจุดสีแดงเล็กๆ เหล่านี้” กล่าว เซียวฮุ่ยฟานนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแอริโซนา ผู้ซึ่งใช้เวลาทำงานเพื่อค้นหาวัตถุที่อยู่ห่างไกลในเอกภพในยุคแรกเริ่ม

คำอธิบายที่ตรงไปตรงมาที่สุดสำหรับกาแลคซีที่มีหัวใจเป็นพายุทอร์นาโดคือหลุมดำขนาดใหญ่ที่มีดวงอาทิตย์นับล้านดวงกำลังทำให้เมฆแก๊สปั่นป่วน การค้นพบนั้นเป็นทั้งสิ่งที่คาดหวังและน่างงงวย คาดว่าเป็นเพราะ JWST สร้างขึ้นบางส่วนเพื่อค้นหาวัตถุโบราณ พวกมันคือบรรพบุรุษของหลุมดำขนาดมหึมานับพันล้านดวงที่ดูเหมือนจะปรากฏในบันทึกของจักรวาลอย่างอธิบายไม่ถูกตั้งแต่เนิ่นๆ จากการศึกษาหลุมดำตั้งต้นเหล่านี้ เช่น หลุมดำที่สร้างสถิติใหม่ XNUMX แห่งที่ค้นพบในปีนี้ นักวิทยาศาสตร์หวังว่าจะได้เรียนรู้ว่าหลุมดำขนาดมหึมาแห่งแรกมาจากไหน และอาจระบุได้ว่าทฤษฎีใดจากสองทฤษฎีที่แข่งขันกันอธิบายการก่อตัวของพวกมันได้ดีกว่า: พวกมันเติบโตอย่างรวดเร็วมากหรือ พวกเขาเกิดมาใหญ่โตหรือไม่? การสังเกตยังน่างงเพราะนักดาราศาสตร์ไม่กี่คนที่คาดว่า JWST จะพบหลุมดำอายุน้อยและหิวโหยจำนวนมาก และการสำรวจก็ทำให้พวกเขาเพิ่มขึ้นเป็นโหล ในกระบวนการพยายามไขปริศนาลึกลับในอดีต นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบหลุมดำขนาดใหญ่จำนวนมากซึ่งอาจเขียนทฤษฎีดวงดาว กาแล็กซี และอื่นๆ ที่เป็นที่ยอมรับขึ้นมาใหม่

“ในฐานะนักทฤษฎี ฉันต้องสร้างจักรวาล” กล่าว มาร์ตา โวลอนเตรีนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่เชี่ยวชาญด้านหลุมดำที่ Paris Institute of Astrophysics Volonteri และเพื่อนร่วมงานของเธอกำลังต่อสู้กับการไหลเข้าของหลุมดำขนาดยักษ์ในจักรวาลยุคแรก “ถ้าพวกเขาเป็น [ของจริง] พวกเขาจะเปลี่ยนภาพไปอย่างสิ้นเชิง”

เครื่องย้อนเวลาแห่งจักรวาล

การสังเกตการณ์ของ JWST ทำให้วงการดาราศาสตร์สั่นคลอนส่วนหนึ่งเนื่องจากกล้องโทรทรรศน์สามารถตรวจจับแสงที่ส่องมาถึงโลกจากส่วนลึกในอวกาศได้มากกว่าเครื่องรุ่นก่อนๆ

“เราสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังอย่างไร้เหตุผลนี้มากว่า 20 ปี” กล่าว แกรนท์ เทรมเบลย์นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ที่ Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics “เดิมทีจุดประสงค์ทั้งหมดคือการมองลึกเข้าไปในเวลาของจักรวาล”

หนึ่งในเป้าหมายของภารกิจคือการจับกาแลคซีที่กำลังก่อตัวขึ้นในช่วงพันล้านปีแรกของเอกภพ (จากประวัติคร่าวๆ 13.8 พันล้านปี) การสังเกตการณ์เบื้องต้นของกล้องโทรทรรศน์เมื่อฤดูร้อนที่แล้ว บอกเป็นนัยถึงจักรวาลที่ยังเยาว์วัย เต็มไปด้วยกาแล็กซีที่โตเต็มวัยอย่างน่าทึ่ง แต่ข้อมูลที่นักดาราศาสตร์สามารถบิดเบือนจากภาพดังกล่าวมีจำกัด เพื่อให้เข้าใจเอกภพยุคแรกอย่างแท้จริง นักดาราศาสตร์ต้องการมากกว่าแค่ภาพ พวกเขาหิวโหยสเปกตรัมของกาแลคซีเหล่านั้น ซึ่งเป็นข้อมูลที่ได้มาเมื่อกล้องโทรทรรศน์แบ่งแสงที่เข้ามาเป็นเฉดสีเฉพาะ

สเปกตรัมกาแล็กซีซึ่ง JWST เริ่มส่งกลับอย่างจริงจังเมื่อปลายปีที่แล้วมีประโยชน์ด้วยเหตุผลสองประการ

ประการแรก พวกเขาให้นักดาราศาสตร์ระบุอายุของดาราจักร แสงอินฟราเรดที่ JWST รวบรวมไว้จะถูกทำให้เป็นสีแดงหรือถูกเปลี่ยนเป็นสีแดง หมายความว่าในขณะที่มันเคลื่อนผ่านจักรวาล ความยาวคลื่นของมันจะถูกยืดออกโดยการขยายตัวของอวกาศ ขอบเขตของเรดชิฟท์นั้นทำให้นักดาราศาสตร์ระบุระยะทางของกาแล็กซีได้ และด้วยเหตุนี้เมื่อมันปล่อยแสงออกมาในตอนแรก กาแล็กซีใกล้เคียงมีค่าเรดชิฟต์เกือบเป็นศูนย์ JWST สามารถสร้างวัตถุได้อย่างคล่องตัวเกินกว่าค่าเรดชิฟต์ที่ 5 ซึ่งสอดคล้องกับประมาณ 1 พันล้านปีหลังจากบิกแบง วัตถุที่มีการเลื่อนสีแดงสูงจะเก่ากว่าและอยู่ห่างออกไปมาก

ประการที่สอง สเปกตรัมช่วยให้นักดาราศาสตร์เข้าใจถึงสิ่งที่เกิดขึ้นในดาราจักร แต่ละสีแสดงถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนและอะตอม (หรือโมเลกุล) ที่เฉพาะเจาะจง สีหนึ่งเกิดจากอะตอมของไฮโดรเจนที่กระพริบเมื่อตกลงหลังจากการกระแทก อีกอันหมายถึงอะตอมของออกซิเจนที่ถูกกระแทกและไนโตรเจนอีกอันหนึ่ง สเปกตรัมคือรูปแบบของสีที่เผยให้เห็นว่าดาราจักรทำมาจากอะไรและองค์ประกอบเหล่านั้นกำลังทำอะไร และ JWST กำลังให้บริบทที่สำคัญสำหรับดาราจักรในระยะทางที่ไม่เคยมีมาก่อน

“เราได้ก้าวกระโดดอย่างมาก” กล่าว อายูช ซักเซนานักดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ข้อเท็จจริงที่ว่า "เรากำลังพูดถึงองค์ประกอบทางเคมีของดาราจักรเรดชิฟต์ 9 นั้นน่าทึ่งมาก"

(Redshift 9 อยู่ห่างไกลจนน่าเหลือเชื่อ ซึ่งตรงกับเวลาที่เอกภพมีอายุเพียง 0.55 พันล้านปีเท่านั้น)

สเปกตรัมของกาแล็กซียังเป็นเครื่องมือที่สมบูรณ์แบบสำหรับการค้นหาอะตอมที่ก่อกวนหลัก ซึ่งก็คือหลุมดำขนาดยักษ์ที่แฝงตัวอยู่ในใจกลางของกาแลคซี หลุมดำในตัวเองนั้นมืด แต่เมื่อพวกมันกินก๊าซและฝุ่นเข้าไป พวกมันก็จะแยกอะตอมออกจากกัน ทำให้พวกมันเปล่งแสงสีออกมา นานก่อนที่ JWST จะเปิดตัว นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์หวังว่ากล้องโทรทรรศน์จะช่วยให้พวกเขามองเห็นรูปแบบเหล่านั้นและพบหลุมดำที่ใหญ่และมีพลังมากที่สุดในเอกภพยุคแรกให้มากพอที่จะไขปริศนาว่าพวกมันก่อตัวได้อย่างไร

ใหญ่เกินไปเร็วเกินไป

ความลึกลับเริ่มขึ้นเมื่อ 20 ปีที่แล้ว เมื่อทีมที่นำโดย Fan พบเห็นหนึ่งในนั้น กาแลคซีที่อยู่ไกลที่สุด เท่าที่เคยสังเกตมา — ควอซาร์ที่เจิดจรัส หรือกาแล็กซีที่ทอดสมออยู่กับหลุมดำมวลมหาศาลที่ยังคุกรุ่นอยู่ ซึ่งอาจมีมวลเท่ากับดวงอาทิตย์หลายพันล้านดวง มีการเลื่อนสีแดงเป็น 5 ซึ่งตรงกับประมาณ 1.1 พันล้านปีหลังบิกแบง ด้วยการกวาดล้างท้องฟ้าต่อไป Fan และเพื่อนร่วมงานของเขาทำลายสถิติของตัวเองซ้ำแล้วซ้ำอีก ผลักดันชายแดนควอซาร์เรดชิฟต์ไปที่ 6 ใน 2001 และในที่สุด 7.6 ใน 2021 - เพียง 0.7 พันล้านปีหลังจากบิกแบง

ปัญหาคือการสร้างหลุมดำขนาดมหึมานั้นดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้ในช่วงต้นของประวัติศาสตร์จักรวาล

เช่นเดียวกับวัตถุใดๆ หลุมดำใช้เวลาในการเติบโตและก่อตัว เช่นเดียวกับเด็กวัยเตาะแตะสูง 6 ฟุต หลุมดำขนาดใหญ่พิเศษของ Fan นั้นใหญ่เกินไปสำหรับอายุของพวกเขา เอกภพยังไม่โตพอสำหรับพวกเขาที่จะสร้างมวลดวงอาทิตย์นับพันล้านดวง เพื่ออธิบายเด็กวัยหัดเดินที่โตเกินไป นักฟิสิกส์ถูกบังคับให้พิจารณาทางเลือกที่น่ารังเกียจสองทาง

อย่างแรกคือกาแลคซีของ Fan เริ่มเต็มไปด้วยหลุมดำขนาดมาตรฐานที่มีมวลประมาณดาวฤกษ์ซึ่งซูเปอร์โนวาประเภทต่างๆ มักจะทิ้งไว้เบื้องหลัง จากนั้นพวกมันก็เติบโตโดยการรวมตัวกันและโดยการกลืนก๊าซและฝุ่นที่อยู่รอบ ๆ โดยปกติแล้ว หากหลุมดำเลี้ยงอย่างอุกอาจพอ การแผ่รังสีจะผลักเศษอาหารของมันออกไป นั่นจะหยุดความคลั่งไคล้ในการให้อาหารและกำหนดขีดจำกัดความเร็วของการเติบโตของหลุมดำ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกว่าขีดจำกัดของ Eddington แต่มันเป็นเพดานอ่อน: ฝุ่นละอองที่ตกลงมาอย่างต่อเนื่องสามารถเอาชนะการแผ่รังสีได้ อย่างไรก็ตาม เป็นการยากที่จะจินตนาการถึงการเติบโตแบบ "ซูเปอร์-เอ็ดดิงตัน" ดังกล่าวให้นานพอที่จะอธิบายสัตว์ร้ายของ Fan ได้ พวกมันจะต้องเพิ่มจำนวนขึ้นอย่างรวดเร็วอย่างคาดไม่ถึง

หรือหลุมดำอาจเกิดขนาดใหญ่อย่างไม่น่าจะเป็นไปได้ เมฆก๊าซในเอกภพยุคแรกอาจยุบตัวลงโดยตรงในหลุมดำที่มีน้ำหนักหลายพันเท่าของดวงอาทิตย์ ทำให้เกิดวัตถุที่เรียกว่าเมล็ดหนัก สถานการณ์นี้ยากที่จะเข้าใจเช่นกัน เพราะเมฆก๊าซที่เป็นก้อนขนาดใหญ่เช่นนี้น่าจะแตกออกเป็นดาวฤกษ์ก่อนที่จะก่อตัวเป็นหลุมดำ

ลำดับความสำคัญของ JWST ประการหนึ่งคือการประเมินสถานการณ์ทั้งสองนี้โดยมองย้อนกลับไปในอดีตและจับบรรพบุรุษที่จางกว่าของกาแลคซีของ Fan สารตั้งต้นเหล่านี้อาจไม่ใช่ควาซาร์เสียทีเดียว แต่กาแลคซีที่มีหลุมดำค่อนข้างเล็กกว่าจะกลายเป็นควาซาร์ ด้วย JWST นักวิทยาศาสตร์มีโอกาสที่ดีที่สุดในการตรวจจับหลุมดำที่แทบจะไม่เริ่มเติบโต ซึ่งเป็นวัตถุที่มีอายุน้อยและเล็กพอที่นักวิจัยจะจำกัดน้ำหนักแรกเกิดของพวกมันได้

นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งที่กลุ่มนักดาราศาสตร์จาก Cosmic Evolution Early Release Science Survey หรือ CEERS นำโดย Dale Kocevski จาก Colby College เริ่มทำงานล่วงเวลาเมื่อพวกเขาสังเกตเห็นสัญญาณของหลุมดำอายุน้อยดังกล่าวปรากฏขึ้นในวันถัดจากวันคริสต์มาสเป็นครั้งแรก

“มันเป็นเรื่องที่น่าประทับใจมากที่มีสิ่งเหล่านี้” เขียน เจฮาน คาร์ตัลเตเปนักดาราศาสตร์แห่ง Rochester Institute of Technology ในระหว่างการอภิปรายเรื่อง Slack

“มีสัตว์ประหลาดตัวเล็กๆ ซ่อนอยู่มากมาย” Kocevski ตอบ

ฝูงสัตว์ประหลาดที่เพิ่มมากขึ้น

ในสเปกตรัมของ CEERS มีกาแลคซีไม่กี่แห่งกระโจนออกมาทันทีโดยซ่อนหลุมดำทารกเอาไว้ ซึ่งก็คือสัตว์ประหลาดตัวน้อยนั่นเอง กาแล็กซีเหล่านี้แตกต่างจากพี่น้องวานิลลาอื่นๆ ตรงที่ปล่อยแสงที่ไม่ได้มาแค่เฉดเดียวสำหรับไฮโดรเจน แต่เส้นไฮโดรเจนถูกทำให้เป็นสีหรือขยายเป็นเฉดสีต่างๆ ซึ่งบ่งชี้ว่าคลื่นแสงบางส่วนถูกบดบังเมื่อเมฆก๊าซที่โคจรอยู่รอบๆ เร่งความเร็วไปทาง JWST (เช่นเดียวกับรถพยาบาลที่แล่นเข้ามาใกล้ส่งเสียงร้องโหยหวนดังขึ้นเมื่อคลื่นเสียงไซเรนถูกบีบอัด) ในขณะที่เส้นอื่นๆ คลื่นถูกยืดออกในขณะที่เมฆบินออกไป Kocevski และเพื่อนร่วมงานของเขารู้ว่าหลุมดำเป็นเพียงวัตถุเดียวที่สามารถเหวี่ยงไฮโดรเจนไปรอบๆ แบบนั้นได้

“วิธีเดียวที่จะเห็นองค์ประกอบกว้างๆ ของก๊าซที่โคจรรอบหลุมดำคือถ้าคุณมองลงไปทางกระบอกของกาแลคซีและเข้าไปในหลุมดำ” Kocevski กล่าว

ภายในสิ้นเดือนมกราคม ทีมงาน CEERS ได้จัดทำเอกสารล่วงหน้าที่อธิบายถึง "สัตว์ประหลาดตัวน้อยที่ซ่อนอยู่" สองตัวตามที่พวกเขาเรียก จากนั้นกลุ่มก็ออกเดินทางเพื่อศึกษากาแลคซีหลายร้อยแห่งที่รวบรวมโดยโปรแกรมของพวกเขาอย่างเป็นระบบเพื่อดูว่ามีหลุมดำกี่แห่ง แต่พวกเขากลับถูกทีมอื่นที่นำโดยยูอิจิ ฮาริคาเนะแห่งมหาวิทยาลัยโตเกียวตามไป เพียงไม่กี่สัปดาห์ต่อมา กลุ่มของ Harikane ค้นหากาแลคซี CEERS ที่อยู่ไกลที่สุด 185 แห่งและ พบ 10 ด้วยเส้นไฮโดรเจนที่กว้าง — เป็นไปได้ว่าการทำงานของหลุมดำใจกลางมวลล้านเท่าของดวงอาทิตย์ที่การเลื่อนสีแดงระหว่าง 4 ถึง 7 จากนั้นในเดือนมิถุนายน การวิเคราะห์ของการสำรวจอีกสองรายการที่นำโดย จอร์ริท แมทธี ของ Swiss Federal Institute of Technology Zurich ระบุอีก 20 รายการ “จุดสีแดงเล็ก ๆ” ด้วยเส้นไฮโดรเจนที่กว้าง: หลุมดำหมุนรอบเรดชิฟต์ 5. การวิเคราะห์ โพสต์เมื่อต้นเดือนสิงหาคม ประกาศเพิ่มอีกโหล บางส่วนอาจอยู่ในกระบวนการเติบโตโดยการควบรวมกิจการ

“ฉันรอสิ่งเหล่านี้มานานแล้ว” โวลอนเตรีกล่าว “มันเหลือเชื่อมาก”

แต่นักดาราศาสตร์น้อยคนนักที่คาดว่าจะมีกาแลคซีจำนวนมหาศาลที่มีหลุมดำขนาดใหญ่ที่ยังคุกรุ่นอยู่ เบบี้ควอซาร์ในปีแรกของการสังเกตการณ์ของ JWST มีจำนวนมากกว่าที่นักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ไว้ตาม การสำรวจสำมะโนประชากรของควาซาร์ผู้ใหญ่ - มีมากกว่า 10 เท่าถึง 100 เท่า

“มันน่าประหลาดใจสำหรับนักดาราศาสตร์ที่เราห่างหายไปตามลำดับความสำคัญหรือมากกว่านั้น” ไอเลอร์ส ผู้ร่วมเขียนรายงานจุดสีแดงเล็กๆ กล่าว

Stéphanie Juneau นักดาราศาสตร์จาก NOIRLab ของ National Science Foundation และผู้ร่วมเขียนบทความเรื่อง little-monsters กล่าวว่า "มันให้ความรู้สึกเสมอว่าที่ redshift สูง ควาซาร์เหล่านี้เป็นเพียงส่วนยอดของภูเขาน้ำแข็ง" “เราอาจพบว่าภายใต้นั้น ประชากร [ที่ผอมลง] นี้มีขนาดใหญ่กว่าภูเขาน้ำแข็งทั่วไปเสียอีก”

สองคนนี้ไปเกือบ 11

แต่เพื่อที่จะได้มองเห็นสัตว์ร้ายในวัยทารก นักดาราศาสตร์รู้ว่าพวกเขาจะต้องผลักดันไปให้ไกลกว่าค่าเรดชิฟต์ที่ 5 และมองลึกเข้าไปในพันล้านปีแรกของเอกภพ เมื่อเร็ว ๆ นี้ หลายทีมได้พบเห็นหลุมดำกินเข้าไปในระยะทางที่ไม่เคยมีมาก่อน

ในเดือนมีนาคมการวิเคราะห์ CEERS นำโดย รีเบคก้า ลาร์สันนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยเทกซัส ออสติน ค้นพบสายไฮโดรเจนในกาแลคซีที่เรดชิฟต์ 8.7 (0.57 พันล้านปีหลังบิกแบง) สร้างสถิติใหม่สำหรับหลุมดำกัมมันตภาพรังสีที่อยู่ห่างไกลมากที่สุดเท่าที่เคยค้นพบ

แต่บันทึกของ Larson ลดลงเพียงไม่กี่เดือนต่อมา หลังจากที่นักดาราศาสตร์ที่ทำงานร่วมกันกับ JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) ได้ครอบครองสเปกตรัมของ GN-z11 ที่เรดชิฟต์ 10.6 GN-z11 อยู่ที่ขอบที่จางที่สุดของกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล และนักวิทยาศาสตร์ก็กระตือรือร้นที่จะศึกษามันด้วยสายตาที่เฉียบคมยิ่งขึ้น ภายในเดือนกุมภาพันธ์ JWST ใช้เวลามากกว่า 10 ชั่วโมงในการสังเกต GN-z11 และนักวิจัยสามารถบอกได้ทันทีว่าดาราจักรนี้แปลกประหลาด ความอุดมสมบูรณ์ของ ก๊าซไนโตรเจน “หมดหนทางแล้ว” กล่าว แจน โชลต์ซสมาชิก JADES แห่งมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ การได้เห็นไนโตรเจนจำนวนมากในกาแลคซีอายุน้อยก็เหมือนกับการได้พบเด็ก 6 ขวบในเงามืดเวลา XNUMX นาฬิกา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบไนโตรเจนกับก๊าซออกซิเจนที่มีอยู่น้อยนิดในกาแลคซี ซึ่งเป็นอะตอมที่เรียบง่ายกว่าที่ดาวฤกษ์ควรรวมตัวกันก่อน

การทำงานร่วมกันของ JADES ตามมาด้วย JWST อีก 16 ชั่วโมงในต้นเดือนพฤษภาคม ข้อมูลเพิ่มเติมทำให้สเปกตรัมคมชัดขึ้น เผยให้เห็นว่าไนโตรเจนสองเฉดที่มองเห็นได้นั้นไม่สม่ำเสมออย่างมาก — อันหนึ่งสว่างและอีกอันจาง รูปแบบดังกล่าว ทีมงานระบุว่า GN-z11 เต็มไปด้วยเมฆก๊าซหนาแน่นที่รวมตัวกันโดย a แรงโน้มถ่วงที่น่ากลัว.

Scholtz กล่าวว่า "นั่นคือตอนที่เราตระหนักว่าเรากำลังจ้องมองเข้าไปในดิสก์สะสมมวลของหลุมดำ การเรียงตัวโดยบังเอิญนั้นอธิบายได้ว่าทำไมดาราจักรที่อยู่ห่างไกลถึงสว่างพอที่กล้องฮับเบิลจะมองเห็นตั้งแต่แรก

หลุมดำที่มีอายุน้อยและหิวกระหายอย่าง GN-z11 เป็นวัตถุที่นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์หวังว่าจะไขข้อสงสัยว่าควอซาร์ของ Fan เกิดขึ้นได้อย่างไร แต่กลับกลายเป็นว่าแม้แต่ GN-z11 ขั้นสูงสุดก็ยังอายุน้อยหรือเล็กพอที่นักวิจัยจะสรุปมวลกำเนิดของมันได้

Scholtz กล่าวว่า "เราจำเป็นต้องเริ่มตรวจจับมวลหลุมดำที่ค่าเรดชิฟต์ที่สูงกว่า 11 เท่า" “ฉันไม่รู้ว่าฉันจะพูดเรื่องนี้เมื่อปีที่แล้ว แต่เราอยู่ที่นี่”

คำแนะนำของความหนักใจ

ก่อนหน้านั้น นักดาราศาสตร์กำลังใช้กลอุบายที่ละเอียดอ่อนมากขึ้นในการค้นหาและศึกษาหลุมดำที่เกิดใหม่ กลอุบายต่างๆ เช่น การโทรศัพท์หาเพื่อน หรือกล้องโทรทรรศน์อวกาศรุ่นเรือธงอื่นๆ เพื่อขอความช่วยเหลือ

ในช่วงต้นปี 2022 Volonteri, Tremblay และผู้ร่วมงานของพวกเขาเริ่มชี้หอสังเกตการณ์รังสีเอกซ์จันทราของ NASA เป็นระยะๆ ไปยังกระจุกดาราจักรที่พวกเขารู้ว่าจะอยู่ในรายชื่อสั้น ๆ ของ JWST คลัสเตอร์ทำหน้าที่เหมือนเลนส์ มันทำให้โครงสร้างของกาลอวกาศโค้งงอและขยายกาแลคซีที่อยู่ห่างไกลออกไปด้านหลัง ทีมงานต้องการดูว่ามีกาแลคซีพื้นหลังใดบ้างที่คายรังสีเอกซ์ออกมา ซึ่งเป็นบัตรโทรศัพท์แบบดั้งเดิมของหลุมดำที่หิวโหย

ในช่วงเวลาหนึ่งปี จันทราจ้องที่เลนส์จักรวาลเป็นเวลาสองสัปดาห์ ซึ่งเป็นหนึ่งในการสังเกตการณ์ที่ยาวนานที่สุดในขณะนี้ และรวบรวมโฟตอนรังสีเอกซ์ 19 ดวงที่มาจากดาราจักรชื่อ UHZ1 ที่ การเปลี่ยนสีแดงเป็น 10.1. โฟตอนออกเทนสูงทั้ง 19 ชนิดนี้น่าจะมาจากหลุมดำที่กำลังเติบโตซึ่งเกิดขึ้นน้อยกว่าครึ่งพันล้านปีหลังบิกแบง ทำให้เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่ห่างไกลมากที่สุดเท่าที่เคยตรวจพบ

ด้วยการรวมข้อมูล JWST และ Chandra กลุ่มได้เรียนรู้บางสิ่งที่แปลก — และให้ข้อมูล ในดาราจักรสมัยใหม่ส่วนใหญ่ มวลเกือบทั้งหมดอยู่ในดาวฤกษ์ โดยมีไม่ถึงร้อยละหรือมากกว่านั้นในใจกลางหลุมดำ แต่ใน UHZ1 ดูเหมือนว่ามวลจะแบ่งเท่าๆ กันระหว่างดวงดาวและหลุมดำ ซึ่งไม่ใช่รูปแบบที่นักดาราศาสตร์คาดไว้สำหรับการเพิ่มจำนวนของซุปเปอร์เอดดิงตัน

คำอธิบายที่น่าเชื่อถือมากขึ้น ทีมงานแนะนำนั่นคือหลุมดำใจกลางของ UHZ1 เกิดขึ้นเมื่อเมฆขนาดยักษ์บดอัดเป็นหลุมดำขนาดมหึมา ทิ้งก๊าซไว้เล็กน้อยสำหรับสร้างดาวฤกษ์ ข้อสังเกตเหล่านี้ "อาจสอดคล้องกับเมล็ดหนัก" Tremblay กล่าว มัน "บ้าไปแล้วที่จะคิดเกี่ยวกับลูกบอลก๊าซขนาดมหึมาเหล่านี้ที่เพิ่งพังทลายลง"

มันคือจักรวาลหลุมดำ

การค้นพบเฉพาะบางอย่างจากการแย่งชิงสเปกตรัมที่บ้าคลั่งในช่วงสองสามเดือนที่ผ่านมานั้นเปลี่ยนไปเมื่อการศึกษาผ่านการตรวจสอบโดยเพื่อน แต่ข้อสรุปอย่างกว้างๆ ว่าเอกภพอายุน้อยได้เหวี่ยงหลุมดำขนาดยักษ์ที่ยังคุกรุ่นอย่างรวดเร็วออกมา มีแนวโน้มว่าจะอยู่รอดได้ ท้ายที่สุดแล้วควอซาร์ของ Fan ต้องมาจากที่ไหนสักแห่ง

“จำนวนที่แน่นอนและรายละเอียดของวัตถุแต่ละชิ้นยังไม่แน่นอน แต่น่าเชื่ออย่างยิ่งว่าเรากำลังพบหลุมดำที่สะสมมวลจำนวนมาก” ไอเลอร์สกล่าว “JWST ได้เปิดเผยพวกเขาเป็นครั้งแรก และนั่นก็น่าตื่นเต้นมาก”

สำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านหลุมดำ มันเป็นการเปิดเผยที่เกิดขึ้นมานานหลายปี การศึกษาล่าสุดของ กาแลคซีวัยรุ่นที่ยุ่งเหยิง ในเอกภพสมัยใหม่บอกเป็นนัยว่าหลุมดำที่ยังคุกรุ่นอยู่ในดาราจักรอายุน้อยถูกมองข้าม และนักทฤษฎีต้องดิ้นรนเพราะแบบจำลองดิจิทัลของพวกเขาสร้างเอกภพอย่างต่อเนื่องโดยมีหลุมดำมากกว่าที่นักดาราศาสตร์เห็นในหลุมดำจริง

“ฉันพูดเสมอว่าทฤษฎีของฉันผิดและการสังเกตถูกต้อง ดังนั้นฉันจำเป็นต้องแก้ไขทฤษฎีของฉัน” Volonteri กล่าว แต่บางทีความคลาดเคลื่อนไม่ได้ชี้ไปที่ปัญหาของทฤษฎี “บางทีจุดสีแดงเล็กๆ เหล่านี้อาจไม่ได้ถูกนำมาพิจารณา” เธอกล่าว

ตอนนี้หลุมดำที่ลุกโชนกำลังกลายเป็นมากกว่าแค่ภาพลวงตาของจักรวาลในเอกภพที่สุกเต็มที่ นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์สงสัยว่าการหล่อวัตถุใหม่ให้มีบทบาททางทฤษฎีที่มีเนื้อมากขึ้นสามารถบรรเทาอาการปวดหัวอื่น ๆ ได้หรือไม่

หลังจากศึกษาภาพแรกของ JWST นักดาราศาสตร์บางคนชี้ให้เห็นอย่างรวดเร็ว กาแลคซี ดูหนักอึ้งไปไม่ได้เลยเมื่อพิจารณาจากวัยเยาว์ของพวกเขา แต่อย่างน้อยในบางกรณี หลุมดำที่สว่างจนไม่เห็นอาจทำให้นักวิจัยประเมินค่าความยิ่งใหญ่ของดาวฤกษ์โดยรอบสูงเกินไป

อีกทฤษฎีหนึ่งที่อาจจำเป็นต้องปรับเปลี่ยนคืออัตราที่กาแลคซีสลายดาว ซึ่งมีแนวโน้มสูงเกินไปในการจำลองกาแลคซี Kocevski คาดการณ์ว่ากาแลคซีหลายแห่งผ่านช่วงสัตว์ประหลาดที่ซ่อนอยู่ซึ่งทำให้การก่อตัวของดาวฤกษ์ช้าลง พวกมันเริ่มต้นด้วยฝุ่นที่สร้างดวงดาว จากนั้นหลุมดำของพวกมันก็เติบโตอย่างมีพลังมากพอที่จะกระจายสิ่งของในดวงดาวไปในจักรวาล ทำให้การก่อตัวของดาวช้าลง “เราอาจจะดูสถานการณ์นั้นในการเล่น” เขากล่าว

ขณะที่นักดาราศาสตร์เปิดม่านเอกภพในยุคแรกเริ่ม นักวิชาการคาดคะเนมากกว่าคำตอบที่เป็นรูปธรรม เท่าที่ JWST กำลังเปลี่ยนวิธีคิดของนักดาราศาสตร์เกี่ยวกับหลุมดำที่ยังคุกรุ่นอยู่ นักวิจัยทราบดีว่าภาพสะเปะสะปะของจักรวาลที่เปิดเผยโดยกล้องโทรทรรศน์ในปีนี้เป็นเพียงเกร็ดเล็กเกร็ดน้อยเมื่อเทียบกับสิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคต การสำรวจแคมเปญเช่น JADES และ CEERS พบว่ามีหลุมดำหลายสิบแห่งที่จ้องมองกลับมาจากเศษเสี้ยวของท้องฟ้าที่มีขนาดประมาณหนึ่งในสิบของดวงจันทร์เต็มดวง หลุมดำทารกอีกจำนวนมากรอความสนใจจากกล้องโทรทรรศน์และนักดาราศาสตร์

“ความคืบหน้าทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในช่วง 12 ถึง 10 เดือนแรก” Saxena กล่าว “ตอนนี้เรามี [JWST] ในอีกเก้าหรือ XNUMX ปีข้างหน้า”