Teleskop Jamesa Webba znajduje czarną dziurę starszą niż jej galaktyka
Mała czerwona kropka w gromadzie Pandora
Międzynarodowy zespół astronomów wykorzystał Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, aby zbadać niezwykle odległy obiekt o nazwie Abell 2744‑QSO1, zwany potocznie Małą czerwoną kropką. To maleńkie, czerwone z punktu widzenia Webba źródło światła znajduje się ponad 13 miliardów lat świetlnych od nas, w epoce, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat. Dodatkowo jego obraz jest powiększony i potrojony przez soczewkowanie grawitacyjne przez gromadę galaktyk Abell 2744, znaną także jako gromada Pandora.
Źródło: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Uniwersytet Ben-Guriona), R. Maiolino (Cambridge), F. D’Eugenio (Cambridge), I. Juodžbalis (Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Uniwersytet we Florencji). Obróbka obrazu: A. Pagan
Webb obserwował ten obszar w podczerwieni instrumentem NIRCam, rejestrując nie tylko galaktykę, ale i szczegółową strukturę otaczającego ją gazu. Następnie za pomocą spektrografu NIRSpec w trybie IFU (Integral Field Unit) naukowcy zmierzyli prędkości gazu wirującego wokół centralnego obiektu, co pozwoliło po raz pierwszy w tak wczesnym Wszechświecie bezpośrednio zważyć supermasywną czarną dziurę.
Co to właściwie jest supermasywna czarna dziura?
Czarna dziura to obszar przestrzeni, w którym materia jest tak silnie ściśnięta że nawet światło nie może uciec spod jej grawitacji. Supermasywne czarne dziury, o masach od milionów do miliardów mas Słońca, zazwyczaj znajdują się w centrach galaktyk i są otoczone dyskami gazu świecącego w wielu zakresach promieniowania. Do tej pory sądziliśmy, że takie potwory powstają powoli, z nasion o masach gwiazdowych, rosnąc przez miliardy lat dzięki zlewaniu się mniejszych czarnych dziur i pochłanianiu gazu.
Abell 2744‑QSO1 należy do klasy tzw. aktywnych jąder galaktycznych: widzimy ją jako jasne, punktowe źródło światła zasilane akrecją materii na centralną czarną dziurę. To, co wyjątkowe, to nie tylko jego ogromna odległość, ale przede wszystkim niezwykła proporcja masy między czarną dziurą a całą galaktyką – coś, czego nie obserwujemy w pobliskim Wszechświecie.
Jak zważyć czarną dziurę tak daleko?
Kluczem do nowego wyniku jest precyzyjny pomiar ruchu gazu krążącego wokół czarnej dziury, czyli zastosowanie dobrze znanych z fizyki praw Keplera w ekstremalnych warunkach. Webb, dzięki spektroskopii przestrzennej NIRSpec IFU, pozwolił narysować mapę prędkości wodoru i innych pierwiastków w pobliżu centrum Abell 2744‑QSO1 – widać tam klasyczny dysk rotującego gazu. Znając prędkości i odległości gazu od środka, zespół mógł bezpośrednio wyliczyć masę obiektu grawitacyjnego, który wszystkim steruje – czyli czarnej dziury.
Okazało się, że masa tej czarnej dziury wynosi około 50 milionów mas Słońca. Co więcej, z analizy wynika, że stanowi ona co najmniej dwie trzecie całkowitej masy całego układu Abell 2744‑QSO1 – to tysiące razy większy udział niż w typowych współczesnych galaktykach, gdzie czarna dziura to zwykle ułamek procenta masy gwiazd. Jest to pierwsza tak bezpośrednia i precyzyjna miara masy supermasywnej czarnej dziury z pierwszego miliarda lat historii kosmosu, co pozwala zweryfikować wcześniejsze, bardziej pośrednie szacunki dla innych obiektów w młodym Wszechświecie.
Narodziny od razu dużych czarnych dziur
Tak przerośnięta czarna dziura w tak małej galaktyce stawia pod znakiem zapytania klasyczny scenariusz powolnego wzrostu z lżejszych nasion. Aby z czarnej dziury o masie gwiazdowej dojść do 50 milionów mas Słońca w tak krótkim czasie kosmicznym, potrzeba ekstremalnie szybkiej akrecji – trudnej do pogodzenia z obserwowanymi właściwościami obiektu. Zespół sugeruje więc, że Abell 2744‑QSO1 może być pierwszym mocnym kandydatem na tzw. pierwotną czarną dziurę lub obiekt powstały w wyniku bezpośredniego zapadania się ogromnego obłoku gazu – czyli ciężkie nasiono, które urodziło się już duże.
W jednym z rozważanych scenariuszy takie ciężkie nasiona mogą powstać bardzo wcześnie, być może nawet w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu, jako gęste skupiska materii, które od razu tworzą czarne dziury o masach tysięcy–milionów Słońc. W innym możliwym obrazie masywna czarna dziura rodzi się nie z gwiazdy, ale z kolapsu ogromnego obłoku gazu w pierwszych galaktykach, zanim zdążyły się w nich uformować zwykłe gwiazdy. W obu przypadkach Abell 2744‑QSO1 byłby przykładem obiektu, w którym to czarna dziura buduje wokół siebie galaktykę, a nie odwrotnie.
Co dalej i dlaczego to przełom?
Bezpośredni pomiar masy Abell 2744‑QSO1 pokazuje, że przynajmniej część supermasywnych czarnych dziur w młodym Wszechświecie musiała powstać od razu duża, bez etapu klasycznej ewolucji gwiazdowej. To ważna wskazówka w dyskusji o pochodzeniu najwcześniejszych kwazarów i o tym, jak szybko mogły rosnąć pierwsze struktury we Wszechświecie. Wynik sugeruje też, że używane do tej pory metody pośredniego szacowania mas czarnych dziur na dużych przesunięciach ku czerwieni są zasadniczo poprawne, co wzmacnia zaufanie do całej populacji znanych dotąd wczesnych potworów.
Webb będzie kontynuował polowania na podobne małe czerwone kropki, szczególnie w polach powiększanych przez soczewkowanie grawitacyjne gromad galaktyk, takich jak Abell 2744. W najbliższych latach pojawią się też dane z misji takich jak europejska Euclid czy planowany Nancy Grace Roman Space Telescope, które dostarczą ogromnych map galaktyk i mas gromad – idealnych do znajdowania kolejnych soczewkowanych kwazarów z pierwszego miliarda lat. Każdy nowy obiekt tego typu pomoże zawęzić modele powstawania supermasywnych czarnych dziur i lepiej zrozumieć, jak szybko zapaliły się pierwsze światła we Wszechświecie.
Źródła
Główne źródło:
Źródła kontekstowe:
- NASA: „NASA’s Webb Reveals Black Hole That Formed Before Its Galaxy”,
- NASA Webb Science: strona misji James Webb Space Telescope z wyróżnionym obrazem „Little Red Dot Abell2744‑QSO1”,
- NASA: „Black Hole Basics” – strona edukacyjna o podstawach fizyki czarnych dziur,
- Artykuł encyklopedyczny „Abell 2744‑QSO1” (tło obiektu i jego klasyfikacji)
Opracowanie: Agnieszka Nowak
