Kwazar to niezwykle jasne jądro galaktyki, w którego centrum znajduje się aktywna supermasywna czarna dziura. Gdy czarna dziura wciąga otaczający gaz i pył, wystrzeliwuje ogromną ilość energii, czyniąc kwazary jednymi z najjaśniejszych obiektów we wszechświecie. Kwazary obserwowano już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu i pozostaje tajemnicą, w jaki sposób obiekty te mogły stać się tak jasne i masywne w tak krótkim czasie kosmicznym.
Naukowcy zaproponowali, że najwcześniejsze kwazary wyrosły ze zbyt gęstych obszarów pierwotnej materii, co również spowodowałoby powstanie wielu mniejszych galaktyk w środowisku kwazarów. Jednak w nowym badaniu prowadzonym pod kierunkiem MIT astronomowie zaobserwowali kilka starożytnych kwazarów, które wydają się być zaskakująco samotne we wczesnym wszechświecie.
Astronomowie wykorzystali należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), aby cofnąć się w czasie o ponad 13 miliardów lat i zbadać kosmiczne otoczenie pięciu znanych starożytnych kwazarów. Znaleźli zaskakującą różnorodność w swoich dzielnicach, zwanych „polami kwazarów”. Podczas gdy niektóre kwazary znajdują się na bardzo zatłoczonych polach z ponad 50 sąsiednimi galaktykami, jak przewidują wszystkie modele, pozostałe kwazary wydają się dryfować w pustkach, mając w pobliżu tylko kilka bezpańskich galaktyk.
Te samotne kwazary podważają wiedzę fizyków na temat tego, w jaki sposób tak jasne obiekty mogły powstać tak wcześnie we wszechświecie, bez znaczącego źródła otaczającej materii napędzającej wzrost czarnych dziur.
„Wbrew wcześniejszemu przekonaniu, jak zwykle stwierdzamy, te kwazary niekoniecznie znajdują się w obszarach o największej gęstości we wczesnym Wszechświecie. Niektóre z nich wydają się znajdować pośrodku niczego” – mówi Anna-Christina Eilers, adiunkt w Uniwersytecie fizyki na MIT. „Trudno wyjaśnić, jak te kwazary mogły urosnąć do tak dużych rozmiarów, skoro wydawało się, że nie mają z czego się odżywiać”.
Istnieje możliwość, że te kwazary nie są tak samotne, jak się wydaje, ale zamiast tego są otoczone galaktykami mocno spowitymi pyłem i dlatego niewidocznymi. Eilers i jej współpracownicy mają nadzieję dostroić swoje obserwacje, aby spróbować przejrzeć taki kosmiczny pył i zrozumieć, w jaki sposób kwazary rosły tak duże i tak szybko we wczesnym wszechświecie.
Eilers i jej współpracownicy przedstawiają swoje ustalenia w artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie „The Dziennik astrofizyczny . Współautorami MIT są postdoktoranci Rohan Naidu i Minghao Yue; Robert Simcoe, profesor fizyki Francisa Friedmana i dyrektor Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli w MIT; oraz współpracownicy z takich instytucji, jak Uniwersytet w Lejdzie, Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara, ETH Zurich i innych.
Galaktyczni sąsiedzi
Pięć nowo zaobserwowanych kwazarów należy do najstarszych kwazarów zaobserwowanych do tej pory. Uważa się, że obiekty te mają ponad 13 miliardów lat i powstały między 600 a 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Supermasywne czarne dziury zasilające kwazary są miliard razy masywniejsze od Słońca i ponad bilion razy jaśniejsze. Ze względu na swoją ekstremalną jasność światło każdego kwazara jest w stanie podróżować przez cały wiek Wszechświata na tyle daleko, aby dotrzeć do dzisiejszych bardzo czułych detektorów JWST.
„To po prostu fenomenalne, że mamy teraz teleskop, który może uchwycić światło sprzed 13 miliardów lat z tak dużą szczegółowością” – mówi Eilers. „Po raz pierwszy JWST umożliwił nam spojrzenie na środowisko tych kwazarów, gdzie dorastały i jakie było ich sąsiedztwo”.
Zespół przeanalizował zdjęcia pięciu starożytnych kwazarów wykonanych przez JWST w okresie od sierpnia 2022 r. do czerwca 2023 r. Obserwacje każdego kwazara obejmowały wiele obrazów „mozaikowych”, czyli częściowych widoków pola kwazara, które zespół skutecznie połączył w celu uzyskania pełnego obrazu otoczenia każdego kwazara.
Teleskop dokonał także pomiarów światła w różnych długościach fali w polu każdego kwazara, które następnie zespół przetworzył, aby określić, czy dany obiekt w tym polu jest światłem z sąsiedniej galaktyki i jak daleko galaktyka znajduje się od znacznie jaśniejszego centralnego kwazara.
„Odkryliśmy, że jedyną różnicą między tymi pięcioma kwazarami jest to, że ich otoczenie wygląda zupełnie inaczej” – mówi Eilers. „Na przykład wokół jednego kwazara znajduje się prawie 50 galaktyk, podczas gdy inny ma tylko dwie. Obydwa kwazary mają ten sam rozmiar, objętość, jasność i czas trwania Wszechświata. To było naprawdę zaskakujące”.
Gwałtowny wzrost
Rozbieżność w polach kwazarów wprowadza załamanie w standardowym obrazie wzrostu czarnych dziur i powstawania galaktyk. Zgodnie z najlepszą wiedzą fizyków na temat pojawienia się pierwszych obiektów we wszechświecie, kurs powinna była wyznaczyć kosmiczna sieć ciemnej materii. Ciemna materia to nieznana jeszcze forma materii, która nie oddziałuje z otoczeniem inaczej niż poprzez grawitację.
Uważa się, że wkrótce po Wielkim Wybuchu we wczesnym Wszechświecie utworzyły się włókna ciemnej materii, które działały jak rodzaj drogi grawitacyjnej, przyciągając gaz i pył wzdłuż swoich wąsów. W zbyt gęstych obszarach tej sieci materia gromadziłaby się, tworząc bardziej masywne obiekty. A najjaśniejsze i najbardziej masywne wczesne obiekty, takie jak kwazary, powstałyby w obszarach sieci o największej gęstości, co spowodowałoby również powstanie znacznie większej liczby mniejszych galaktyk.
„Kosmiczna sieć ciemnej materii stanowi solidną prognozę naszego kosmologicznego modelu Wszechświata i można ją szczegółowo opisać za pomocą symulacji numerycznych” – mówi współautorka, mówi Elia Pizzati, absolwentka Uniwersytetu w Lejdzie. „Porównując nasze obserwacje z tymi symulacjami, możemy określić, gdzie w kosmicznej sieci znajdują się kwazary”.
Naukowcy szacują, że kwazary musiałyby rosnąć w sposób ciągły z bardzo dużą szybkością akrecji, aby osiągnąć ekstremalną masę i jasność w czasach, w których astronomowie je obserwowali, mniej niż 1 miliard lat po Wielkim Wybuchu.
„Główne pytanie, na które staramy się odpowiedzieć, brzmi: w jaki sposób powstają te czarne dziury o masie miliardów mas Słońca, gdy Wszechświat jest wciąż bardzo, bardzo młody? Wciąż jest w powijakach” – mówi Eilers.
Odkrycia zespołu mogą przynieść więcej pytań niż odpowiedzi. Wydaje się, że „samotne” kwazary żyją w stosunkowo pustych obszarach przestrzeni. Jeśli modele kosmologiczne fizyków są prawidłowe, te jałowe obszary oznaczają bardzo mało ciemnej materii, czyli materiału wyjściowego do powstawania gwiazd i galaktyk. Jak zatem powstały niezwykle jasne i masywne kwazary?
„Nasze wyniki pokazują, że nadal brakuje znacznego elementu układanki wyjaśniającej, jak rosną te supermasywne czarne dziury” – mówi Eilers. „Jeśli w okolicy nie ma wystarczającej ilości materiału, aby niektóre kwazary mogły rosnąć w sposób ciągły, oznacza to, że musi istnieć jakiś inny sposób, w jaki mogą rosnąć, a którego jeszcze nie odkryliśmy”.
Badania te były częściowo wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych.
