JWST Erken Evrenin Her Yerinde Dev Kara Delikler Tespit Etti | Quanta Dergisi

Bundan yıllar önce bile emindi. James Webb Uzay Teleskobu başarıyla başlatırdı, Christina Eilers erken evrende uzmanlaşmış astronomlar için bir konferans planlamaya başladı. JWST gözlem yapmaya başlarsa - tercihen ne zaman - kendisinin ve meslektaşlarının konuşacak çok şeyi olacağını biliyordu. Tıpkı bir zaman makinesi gibi, teleskop önceki herhangi bir aletten çok daha uzağı ve geçmişi görebilirdi.

Neyse ki Eilers (ve astronomi camiasının geri kalanı) için planlaması boşuna değildi: JWST sorunsuz bir şekilde fırlatıldı ve konuşlandırıldı, ardından bir milyon mil ötedeki uzaydaki tüneğinden ilk evreni ciddi bir şekilde incelemeye başladı.

Haziran ortasında, yaklaşık 150 astronom, Eilers için Massachusetts Institute of Technology'nin JWST “First Light” konferansında bir araya geldi. JWST'den bu yana tam olarak bir yıl geçmemişti. resim göndermeye başladı Dünya'ya geri dön. Ve tam da Eilers'ın tahmin ettiği gibi, teleskop gökbilimcilerin evrenin ilk milyar yılına ilişkin anlayışını yeniden şekillendiriyordu.

Sayısız sunumda bir dizi esrarengiz nesne göze çarpıyordu. Bazı astronomlar onlara "gizli küçük canavarlar" adını verdiler. Diğerlerine göre bunlar "küçük kırmızı noktalardı". Ancak isimleri ne olursa olsun, veriler açıktı: JWST, karanlıkta yalnızca kırmızı benekler olarak görünen genç gökadalara baktığında, merkezlerinde çalkalanan kasırgalarla şaşırtıcı bir sayı görüyor.

MIT'de bir astronom olan Eilers, "Bunu bilmediğimiz çok sayıda kaynak var gibi görünüyor," dedi ve "bulmayı hiç beklemiyorduk."

Son aylarda, kozmik lekelere ilişkin bir dizi gözlem gökbilimcileri memnun etti ve şaşırttı.

"Herkes bu küçük kırmızı noktalardan bahsediyor" dedi Xiaohui Hayranı, kariyerini erken evrende uzak nesneleri aramakla geçiren Arizona Üniversitesi'nde bir araştırmacı.

Kasırga kalpli galaksiler için en basit açıklama, milyonlarca güneş ağırlığındaki büyük kara deliklerin gaz bulutlarını çılgınca kamçılıyor olmasıdır. Bu bulgu hem beklenen hem de kafa karıştırıcı. JWST kısmen eski nesneleri bulmak için inşa edildiğinden bu beklenir. Onlar, kozmik kayıtlarda açıklanamayacak kadar erken ortaya çıkmış gibi görünen milyarlarca güneşe sahip dev karadeliklerin atalarıdır. Bilim adamları, bu yıl keşfedilen üç rekor kıran genç gibi bu öncül kara delikleri inceleyerek, ilk devasa kara deliklerin nereden geldiğini öğrenmeyi ve belki de iki rakip teoriden hangisinin oluşumlarını daha iyi tanımladığını belirlemeyi umuyor: Çok hızlı mı büyüdüler, yoksa sadece büyük mü doğdular? Yine de gözlemler aynı zamanda kafa karıştırıcı çünkü çok az gökbilimci JWST'nin bu kadar çok genç, aç kara delik bulmasını bekliyordu - ve araştırmalar onları bir düzine kadar ortaya çıkarıyor. Eski gizemi çözme girişimi sürecinde, gökbilimciler yıldızlar, galaksiler ve daha fazlasıyla ilgili yerleşik teorileri yeniden yazabilecek bir yığın hantal kara delik ortaya çıkardılar.

"Bir teorisyen olarak bir evren inşa etmeliyim" dedi Marta Volonteri, Paris Astrofizik Enstitüsü'nde kara delikler konusunda uzmanlaşmış bir astrofizikçi. Volonteri ve meslektaşları şu anda erken evrendeki dev karadeliklerin akışıyla mücadele ediyor. "[Gerçek] iseler, resmi tamamen değiştirirler."

Kozmik Zaman Makinesi

JWST gözlemleri astronomiyi kısmen sarsıyor çünkü teleskop Dünya'ya uzayın derinliklerinden ulaşan ışığı önceki herhangi bir makineden daha derinden tespit edebiliyor.

"Bu saçma sapan güçlü teleskopu 20 yılda inşa ettik" dedi Hibe Tremblay, Harvard-Smithsonian Astrofizik Merkezi'nde bir astrofizikçi. "Başlangıçta bütün amacı kozmik zamanın derinliklerine bakmaktı."

Misyonun hedeflerinden biri, evrenin ilk milyar yılında (kabaca 13.8 milyar yıllık tarihinin dışında) oluşum halindeki galaksileri yakalamaktır. Teleskopun geçen yazdan ilk gözlemleri genç bir evrene işaret etti çarpıcı derecede olgun gökadalarla doluydu, ancak astronomların bu tür görüntülerden elde edebileceği bilgiler sınırlıydı. Erken evreni gerçekten anlamak için gökbilimcilerin görüntülerden daha fazlasına ihtiyacı vardı; bu galaksilerin tayflarına - teleskop gelen ışığı belirli tonlara ayırdığında gelen verilere - aç kaldılar.

JWST'nin geçen yılın sonunda ciddi olarak geri göndermeye başladığı galaktik spektrumlar iki nedenden dolayı faydalıdır.

Birincisi, astronomların galaksinin yaşını belirlemesine izin verdiler. JWST'nin topladığı kızılötesi ışık kızarır veya kırmızıya kayar, yani evreni katederken dalga boyları uzayın genişlemesiyle esner. Bu kırmızıya kaymanın kapsamı, gökbilimcilerin bir galaksinin mesafesini ve dolayısıyla ışığını ilk olarak ne zaman yaydığını belirlemesine olanak tanır. Yakındaki galaksilerin kırmızıya kayması neredeyse sıfırdır. JWST, Büyük Patlama'dan yaklaşık 5 milyar yıl sonrasına denk gelen 1'lik bir kırmızıya kaymanın ötesindeki nesneleri kolayca ayırt edebiliyor. Daha yüksek kırmızıya kayma değerlerine sahip nesneler önemli ölçüde daha eski ve daha uzaktadır.

İkincisi, spektrumlar gökbilimcilere bir galakside neler olup bittiğine dair bir fikir verir. Her renk tonu, fotonlar ve belirli atomlar (veya moleküller) arasındaki etkileşimi işaret eder. Bir renk, bir darbeden sonra yerleşirken yanıp sönen bir hidrojen atomundan kaynaklanır; bir diğeri itişip kakışmış oksijen atomlarını ve başka bir nitrojeni gösterir. Spektrum, bir galaksinin neyden yapıldığını ve bu elementlerin ne yaptığını ortaya çıkaran bir renk modelidir ve JWST, benzeri görülmemiş mesafelerdeki galaksiler için bu çok önemli bağlamı sağlamaktadır.

"Çok büyük bir sıçrama yaptık" dedi Aayush Saxena, Oxford Üniversitesi'nde bir astronom. "Kırmızıya kayma 9 gökadalarının kimyasal bileşiminden bahsediyor olmamız kesinlikle dikkate değer."

(Redshift 9, evrenin yalnızca 0.55 milyar yaşında olduğu bir zamana karşılık gelen, akıllara durgunluk verecek kadar uzaktır.)

Galaktik tayflar aynı zamanda atomların büyük bir bozguncusunu bulmak için mükemmel araçlardır: galaksilerin kalbinde pusuda bekleyen dev karadelikler. Karadeliklerin kendileri karanlıktır, ancak gaz ve tozla beslendiklerinde atomları parçalayarak parlak renkler yaymalarına neden olurlar. JWST'nin lansmanından çok önce, astrofizikçiler teleskopun bu kalıpları tespit etmelerine ve erken evrenin en büyük ve en aktif kara deliklerinden yeterince bulmalarına ve nasıl oluştuklarının gizemini çözmelerine yardımcı olacağını umuyorlardı.

Çok Büyük, Çok Erken

Gizem, 20 yılı aşkın bir süre önce, Fan liderliğindeki bir ekibin bunlardan birini tespit etmesiyle başladı. en uzak galaksiler parlak bir kuasar veya belki de milyarlarca güneş ağırlığındaki aktif bir süper kütleli kara deliğe demirlemiş bir galaksi. Büyük Patlama'dan yaklaşık 5 milyar yıl sonrasına karşılık gelen 1.1'lik bir kırmızıya kayması vardı. Gökyüzünde daha fazla tarama yaparak, Fan ve meslektaşları art arda kendi rekorlarını kırdılar ve kuasarın kırmızıya kayma sınırını 6’ü 2001 arada ve sonunda 7.6’ü 2021 arada - Büyük Patlama'dan sadece 0.7 milyar yıl sonra.

Sorun, kozmik tarihin bu kadar erken dönemlerinde böylesine devasa kara delikler yaratmanın imkansız görünmesiydi.

Herhangi bir nesne gibi, kara deliklerin de büyümesi ve oluşması zaman alır. Ve 6 boyunda bir yürümeye başlayan çocuk gibi, Fan'ın süper boyutlu kara delikleri yaşlarına göre çok büyüktü - evren, milyarlarca güneş ağırlığı biriktirecek kadar yaşlı değildi. Fizikçiler, bu aşırı büyümüş küçük çocukları açıklamak için iki tatsız seçeneği değerlendirmek zorunda kaldılar.

İlki, Fan'ın galaksilerinin standart, kabaca yıldız kütleli karadeliklerle dolu olmasıydı. Bunlar daha sonra hem birleşerek hem de çevredeki gaz ve tozu yutarak büyüdüler. Normal olarak, bir kara delik yeterince agresif bir şekilde ziyafet çekiyorsa, radyasyon fışkırması onun lokmalarını uzaklaştırır. Bu, beslenme çılgınlığını durdurur ve kara delik büyümesi için bilim adamlarının Eddington sınırı dediği bir hız sınırı belirler. Ancak bu yumuşak bir tavan: Sürekli bir toz seli akla gelebilecek bir şekilde radyasyonun taşmasını engelleyebilir. Bununla birlikte, Fan'ın canavarlarını açıklayacak kadar uzun süre bu tür "süper Eddington" büyümesini sürdürmeyi hayal etmek zor - akıl almaz derecede hızlı bir şekilde büyümeleri gerekirdi.

Ya da belki de kara delikler beklenmedik bir şekilde büyük doğabilirler. Erken evrendeki gaz bulutları, doğrudan binlerce güneş ağırlığındaki kara deliklere çökerek ağır tohumlar adı verilen nesneler üretmiş olabilir. Bu senaryoyu sindirmek de zordur, çünkü bu kadar büyük, topaklı gaz bulutları bir kara delik oluşturmadan önce yıldızlara ayrılmalıdır.

JWST'nin önceliklerinden biri, bu iki senaryoyu geçmişe bakarak ve Fan galaksilerinin daha sönük atalarını yakalayarak değerlendirmektir. Bu öncüller tam olarak kuasar olmayacak, ancak kuasar olma yolunda biraz daha küçük karadeliklere sahip galaksiler. JWST ile bilim adamları, zar zor büyümeye başlayan kara delikleri - araştırmacıların doğum ağırlıklarını düşürmeleri için yeterince genç ve yeterince küçük nesneleri - tespit etme konusunda en iyi şanslarına sahipler.

Colby Koleji'nden Dale Kocevski liderliğindeki Kozmik Evrim Erken Yayın Bilim Araştırması veya CEERS'e sahip bir grup astronomun, Noel'i takip eden günlerde bu tür genç kara deliklerin ortaya çıktığını ilk kez fark ettiklerinde fazla mesai yapmaya başlamasının bir nedeni budur.

"Bunlardan kaç tane olduğu biraz etkileyici," diye yazdı Ceyhan Kartaltepe, Slack üzerine bir tartışma sırasında Rochester Institute of Technology'de bir astronom.

"Pek çok küçük gizli canavar," diye yanıtladı Kocevski.

Büyüyen Canavar Kalabalığı

CEERS tayfında, birkaç gökada potansiyel olarak gizlenen bebek kara delikleri, yani küçük canavarlar olarak ortaya çıktı. Daha vanilya kardeşlerinin aksine, bu galaksiler, hidrojen için tek bir canlı gölgeyle gelmeyen ışık yaydı. Bunun yerine, hidrojen hattı lekelendi veya bir dizi tonla genişletildi, bu da yörüngedeki gaz bulutları JWST'ye doğru hızlanırken bazı ışık dalgalarının ezildiğini gösterirken (tıpkı yaklaşan bir ambulansın sireninin ses dalgaları sıkıştırılırken yükselen bir feryat çıkarması gibi) bulutlar uçup giderken dalgalar gerildi. Kocevski ve meslektaşları, karadeliklerin hidrojeni bu şekilde etrafa savurabilen tek nesne olduğunu biliyorlardı.

Kocevski, "Kara deliğin yörüngesinde dönen gazın geniş bileşenini görmenin tek yolu, galaksinin tam dibine ve kara deliğin içine bakıyor olmanızdır" dedi.

Ocak ayının sonunda CEERS ekibi, kendi adlarıyla "gizli küçük canavarlardan" ikisini tanımlayan bir ön baskı çıkarmayı başardı. Daha sonra grup, programlarının topladığı yüzlerce gökadanın daha geniş bir alanını sistematik olarak incelemeye koyuldu ve orada tam olarak kaç tane kara delik olduğunu gördü. Ancak birkaç hafta sonra Tokyo Üniversitesi'nden Yuichi Harikane liderliğindeki başka bir ekip tarafından yakalandılar. Harikane'nin grubu en uzak CEERS galaksilerinin 185'ini aradı ve 10 bulundu geniş hidrojen hatlarıyla - 4 ile 7 arasındaki kırmızıya kaymalarda milyon güneş kütleli merkezi karadeliklerin olası çalışması. jorryt matthee İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Zürih, 20 tane daha tespit etti”küçük kırmızı noktalar” geniş hidrojen çizgileriyle: kırmızıya kayma etrafında çalkalanan kara delikler 5. Bir analiz ağustos başında yayınlandı birkaçı birleşerek büyüme sürecinde bile olabilecek bir düzine daha duyurdu.

Volonteri, "Bunları çok uzun zamandır bekliyordum," dedi. "İnanılmazdı."

Ancak çok az gökbilimci, büyük, aktif bir kara deliğe sahip çok sayıda galaksi olduğunu tahmin etti. JWST'nin gözlemlerinin ilk yılındaki bebek kuasarların sayısı bilim adamlarının tahmin ettiğinden daha fazla. yetişkin kuasarların sayımı — 10 kat ila 100 kat daha bol.

Küçük kırmızı noktalar makalesine katkıda bulunan Eilers, “Bir gökbilimci için bir büyüklük sırasına göre veya daha fazla sapmamız şaşırtıcı” dedi.

Ulusal Bilim Vakfı'nın NOIRLab'ında bir astronom ve küçük canavarlar makalesinin ortak yazarı olan Stéphanie Juneau, "Yüksek kırmızıya kaymada bu kuasarlar her zaman buzdağının sadece görünen kısmıymış gibi hissettirdi" dedi. "Bu [daha soluk] popülasyonun altında, normal buzdağından bile daha büyük olduğunu buluyor olabiliriz."

Bu İkisi Neredeyse 11'e Gidiyor

Ancak gökbilimciler, canavarların bebeklik dönemlerindeki görüntülerini yakalamak için, 5'lik kırmızıya kaymaların çok ötesine geçmeleri ve evrenin ilk milyar yılına daha derinlemesine bakmaları gerektiğini biliyorlar. Son zamanlarda, birkaç ekip gerçekten benzeri görülmemiş mesafelerde beslenen kara delikler tespit etti.

Mart ayındaliderliğindeki bir CEERS analizi rebecca larsonAustin, Texas Üniversitesi'nden bir astrofizikçi, bir galakside 8.7'lik bir kırmızıya kaymada (Big Bang'den 0.57 milyar yıl sonra) geniş bir hidrojen çizgisi keşfetti ve şimdiye kadar keşfedilen en uzak aktif kara delik için yeni bir rekor kırdı.

Ancak Larson'ın rekoru, JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) işbirliğindeki astronomların GN-z11 spektrumunu ele geçirmesinden sadece birkaç ay sonra düştü. 10.6 kırmızıya kaymada GN-z11, Hubble Uzay Teleskobu'nun görüşünün en silik ucundaydı ve bilim adamları onu daha keskin gözlerle incelemek için can atıyorlardı. Şubat ayına kadar JWST, GN-z10'i gözlemlemek için 11 saatten fazla zaman harcadı ve araştırmacılar, galaksinin bir tuhaf olduğunu hemen söyleyebildiler. onun bolluğu azot "tamamen kontrolden çıktı" dedi Jan Scholtz, Cambridge Üniversitesi'nde bir JADES üyesi. Genç bir galakside bu kadar çok nitrojen görmek, 6 yaşındaki bir çocuğun saat beş yönündeki gölgesiyle karşılaşmak gibiydi, özellikle de nitrojen, galaksinin yetersiz oksijen depolarıyla, yani yıldızların önce bir araya getirmesi gereken daha basit bir atomla karşılaştırıldığında.

JADES işbirliği, Mayıs ayı başlarında yaklaşık 16 JWST gözlem saati ile devam etti. Ek veriler, spektrumu keskinleştirdi ve nitrojenin iki görünür tonunun son derece dengesiz olduğunu ortaya çıkardı - biri parlak ve diğeri soluk. Ekibin söylediğine göre model, GN-z11'in yoğun gaz bulutlarıyla dolu olduğunu gösteriyor. korkunç yerçekimi kuvveti.

Scholtz, "İşte o zaman kara deliğin birikim diskine baktığımızı anladık" dedi. Bu tesadüfi hizalama, uzaktaki galaksinin neden Hubble'ın ilk etapta görebileceği kadar parlak olduğunu açıklıyor.

GN-z11 gibi son derece genç, aç kara delikler, astrofizikçilerin Fan'ın kuasarlarının nasıl ortaya çıktığına dair ikilemi çözeceğini umdukları nesnelerdir. Ancak bir değişiklikle, üstün GN-z11'in bile araştırmacıların doğum kütlesini kesin olarak belirlemesi için yeterince genç veya yeterince küçük olmadığı ortaya çıktı.

Scholtz, "11'den bile daha yüksek kırmızıya kaymada kara delik kütlelerini tespit etmeye başlamamız gerekiyor" dedi. "Bunu bir yıl önce söyleyeceğimi bilmiyordum ama işte buradayız."

Bir Ağırlık İpucu

O zamana kadar, gökbilimciler yeni doğan karadelikleri bulmak ve incelemek için daha kurnazca numaralara, yardım için bir arkadaşa veya başka bir amiral gemisi uzay teleskobuna telefon etmek gibi numaralara başvuruyorlar.

2022'nin başlarında Volonteri, Tremblay ve işbirlikçileri periyodik olarak NASA'nın Chandra X-ray Gözlemevi'ni JWST'nin kısa listesinde olacağını bildikleri bir galaksi kümesine yönlendirmeye başladılar. Küme bir mercek görevi görür. Uzay-zamanın dokusunu büker ve arkasındaki daha uzak galaksileri büyütür. Ekip, bu arka plan galaksilerinden herhangi birinin, doymak bilmez bir kara deliğin geleneksel çağrı kartı olan X-ışınları yayıp yaymadığını görmek istedi.

Bir yıl boyunca, Chandra iki hafta boyunca kozmik merceğe baktı - şimdiye kadarki en uzun gözlem kampanyalarından biri - ve UHZ19 adlı bir galaksiden gelen 1 X-ışını fotonu topladı. 10.1 kırmızıya kayma. Bu 19 yüksek oktanlı foton büyük olasılıkla Büyük Patlama'dan yarım milyar yıldan daha kısa bir süre sonra var olan büyüyen bir kara delikten geldi ve bu da onu şimdiye kadar tespit edilen en uzak X-ışını kaynağı yapıyor.

Grup, JWST ve Chandra verilerini birleştirerek garip ve bilgilendirici bir şey öğrendi. Modern galaksilerin çoğunda, kütlenin neredeyse tamamı yıldızlarda, yüzde birinden daha azı ise merkezi karadelikte bulunuyor. Ancak UHZ1'de kütle, yıldızlar ve kara delik arasında eşit olarak bölünmüş görünüyor - bu, astronomların süper Eddington birikimi için bekleyeceği model değil.

Daha makul bir açıklama, takım önerdiUHZ1'in merkezi kara deliği, dev bir bulutun buruşup devasa bir kara deliğe dönüşmesi ve geride yıldız yapmak için çok az gaz bırakmasıyla doğmuştur. Tremblay, bu gözlemlerin "ağır bir tohumla tutarlı olabileceğini" söyledi. "Bir anda çöken bu dev gaz toplarını düşünmek çılgınca."

Bu bir Kara Delik Evreni

Son birkaç aydaki çılgın spektrum karmaşasından elde edilen bazı spesifik bulgular, çalışmalar akran incelemesinden geçerken değişmek zorunda. Ancak, genç evrenin bir dizi dev, aktif kara deliği son derece hızlı bir şekilde harekete geçirdiği şeklindeki geniş sonucun hayatta kalması muhtemeldir. Ne de olsa Fan'ın kuasarları bir yerlerden gelmeliydi.

Eilers, "Her nesnenin kesin sayıları ve ayrıntıları belirsizliğini koruyor, ancak büyük bir kara delik popülasyonu bulmamız çok inandırıcı" dedi. "JWST bunları ilk kez açıkladı ve bu çok heyecan verici."

Kara delik uzmanları için bu, yıllardır gelişmekte olan bir keşif. Son çalışmalar dağınık ergen galaksiler modern evrende, genç galaksilerdeki aktif karadeliklerin gözden kaçırıldığına dair ipuçları verildi. Ve teorisyenler mücadele etti çünkü dijital modelleri sürekli olarak astronomların gerçekte gördüğünden çok daha fazla kara delik içeren evrenler üretti.

Volonteri, "Her zaman teorimin yanlış olduğunu ve gözlemin doğru olduğunu söyledim, bu yüzden teorimi düzeltmem gerekiyor" dedi. Yine de belki de tutarsızlık teoriyle ilgili bir soruna işaret etmiyordu. "Belki de bu küçük kırmızı noktalar hesaba katılmıyordu," dedi.

Artık alev alev yanan kara deliklerin olgunlaşan bir evrende kozmik kamera hücrelerinden daha fazlası olduğu ortaya çıktığına göre, astrofizikçiler nesneleri daha etli teorik rollere sokmanın diğer bazı baş ağrılarını hafifletip hafifletemeyeceğini merak ediyor.

Bazı astronomlar, JWST'nin ilk görüntülerinden bazılarını inceledikten sonra, bazı galaksiler gençlikleri göz önüne alındığında inanılmaz derecede ağır görünüyordu. Ancak en azından bazı durumlarda, kör edici derecede parlak bir kara delik, araştırmacıları çevreleyen yıldızların ağırlığını abartmaya yönlendirebilir.

İnce ayar gerektirebilecek başka bir teori, galaksi simülasyonlarında çok yüksek olma eğiliminde olan galaksilerin yıldızları yayma hızıdır. Kocevski, birçok galaksinin bir yıldız oluşumunun yavaşlamasına neden olan bir gizli canavar aşamasından geçtiğini tahmin ediyor; yıldız yapıcı toz içinde kozalanmış olarak başlarlar ve sonra kara delikleri, yıldız malzemesini kozmosa saçacak kadar güçlenerek yıldız oluşumunu yavaşlatır. “Oyundaki bu senaryoya bakıyor olabiliriz” dedi.

Gökbilimciler erken evrenin perdesini kaldırırken, akademik önsezilerin sayısı somut cevaplardan fazladır. JWST, astronomların aktif karadelikler hakkındaki düşüncelerini değiştiriyor olsa da, araştırmacılar, bu yıl teleskop tarafından ortaya çıkarılan kozmik vinyetlerin gelecek olanlarla karşılaştırıldığında sadece anekdotlar olduğunu biliyorlar. JADES ve CEERS gibi gözlem kampanyaları, kabaca dolunayın onda biri büyüklüğünde gökyüzünün şeritlerinden kendilerine bakan düzinelerce olası kara delik buldu. Teleskobun ve astronomların dikkatini daha birçok bebek kara delik bekliyor.

Saxena, "Bütün bu ilerleme ilk dokuz ila 12 ayda kaydedildi" dedi. "Artık önümüzdeki dokuz veya 10 yıl boyunca [JWST]'ye sahibiz."