Grupie naukowej udało się zidentyfikować te obiekty, które zawierają kluczowe informacje o powstawaniu pierwszych dużych struktur we wszechświecie. Kosmiczny teleskop Jamesa Webba (JWST) otworzył okno na wcześniej niewidoczną epokę wszechświata, a wraz z nim nową zagadkę: „małe czerwone punkty” (MCP). Obiekty te, które na najgłębszych zdjęciach kosmosu wyglądają jak maleńkie jasne kółka, wprawiały astronomów w zakłopotanie, ponieważ ich cechy nie pasują do żadnej ze znanych kategorii. Nie zachowują się one ani jak zwykłe galaktyki, ani jak czarne dziury widoczne w najbliższym wszechświecie.
Spis treści
Badanie , przeprowadzone przez Fabio Pacucci z Centrum Astrofizyki Harvard-Smithsonian przy udziale Andreę Ferrary ( Wyższa Szkoła Normalna ) i Daila Kochevskiego ( Colby College ), proponuje ostateczne rozwiązanie: te czerwone punkty nie są galaktykami pełnymi gwiazd, ale raczej bezpośrednio zapadającymi się czarnymi dziurami (DCBH) w trakcie wzrostu. Odkrycie to, opublikowane w serwisie arXiv i oczekujące na publikację w czasopiśmie Nature, sugeruje, że jesteśmy świadkami narodzin gigantów, które obecnie zamieszkują centra galaktyk.
Dylemat czerwonych punktów: nowe wskazówki dotyczące ich prawdziwej natury.
Kiedy kosmiczny teleskop Jamesa Webba odkrył te obiekty w obszarach Wszechświata, których wiek wynosi mniej niż miliard lat, początkowa hipoteza zakładała, że są to masywne galaktyki, w których gwiazdy powstają w szaleńczym tempie. Jednak rozmiar tych punktów jest zbyt mały, aby można było je tak wyjaśnić; ich promienie wynoszą mniej niż 100 parseków, co oznacza, że są niezwykle zwarte. Gdyby były to galaktyki z gwiazdami, byłyby tak gęsto upakowane, że sprzeczne z naszymi obecnymi prawami powstawania układów gwiezdnych.
Nowe badania sugerują, że małe czerwone punkty obserwowane przez teleskop JWST są bezpośrednio zapadającymi się czarnymi dziurami w fazie aktywnego wzrostu. W trakcie badań przeanalizowano światło z tych punktów, które ma ciekawy kształt litery V: bardzo niebieskie w jednej części i bardzo czerwone w drugiej. Wykazują one również oznaki bardzo gorącego gazu (wysoka jonizacja), ale nie mają śladów pozostawionych przez młode gwiazdy podczas narodzin. Autorzy wyjaśniają to tym, że LRD są w rzeczywistości czarnymi dziurami, które powstały w szczególny sposób: poprzez bezpośredni zapadnięcie się. W przeciwieństwie do zwykłych czarnych dziur, które powstają po śmierci gwiazdy, te rodzą się bezpośrednio z gigantycznych chmur gazu wodorowego, które zapadają się pod własnym ciężarem.
Model ten wyjaśnia, dlaczego czarna dziura jest tak duża w porównaniu z kilkoma otaczającymi ją gwiazdami, a jej masa jest 400 razy większa od oczekiwanej. Według badań, czerwone światło nie pochodzi ze starych gwiazd, ale z niewielkiej ilości kosmicznego pyłu (około 13 razy większej od masy Słońca), który otacza czarną dziurę i filtruje jej światło.
Od wirtualnego laboratorium do teleskopu: droga do potwierdzenia teorii o LRD.
Aby potwierdzić swoją teorię, zespół naukowy wykorzystał najnowocześniejsze metody modelowania promieniowania i hydrodynamiki . Stworzyli oni model cyfrowy, w którym „zarodek” czarnej dziury o początkowej masie 100 000 mas Słońca znajduje się w centrum chmury gazowej we wczesnym wszechświecie. Model obliczeniowy dokładnie oblicza, w jaki sposób gaz jest przyciągane przez grawitację , jak się nagrzewa w wyniku sprężania i jak generowana energia próbuje wydostać się na zewnątrz przez gęste warstwy otaczającej materii.
Aby sprawdzić dokładność tych obliczeń, naukowcy porównali wyniki z rzeczywistymi danymi dotyczącymi obiektu RUBIES-EGS 42046 , „czerwonego punktu” wykrytego przez teleskop Jamesa Webba z dużej odległości. Poprzez korektę poziomów pyłu i gazu w modelowaniu udało się uzyskać zgodność widma światła wygenerowanego przez komputer z widmem obserwowanym przez teleskop z błędem mniejszym niż 10%.
Analiza ta pomogła wyjaśnić, dlaczego obiekty te emitują tak mało promieniowania rentgenowskiego, pomimo obecności tak aktywnej czarnej dziury. Modelowanie wykazało, że czarna dziura jest otoczona tak gęstą powłoką gazową (technicznie nazywaną „komptonowską”), że promieniowanie wielokrotnie zderza się z cząsteczkami gazu.
Proces ten pochłania promieniowanie wysokoenergetyczne i przekształca je w światło widzialne lub podczerwone, zanim zdąży ono uciec w przestrzeń kosmiczną. Według badań ta faza osłabienia promieniowania rentgenowskiego ma charakter tymczasowy: promieniowanie rentgenowskie stanie się bezpośrednio wykrywalne dopiero wtedy, gdy czarna dziura wyczerpie otaczający ją gaz i oczyści swoje otoczenie.
Co czerwone punkty mogą nam powiedzieć o ewolucji i różnorodności wczesnego wszechświata?
Odkrycie to dostarcza ważnych informacji pozwalających zrozumieć, jak wyglądał kosmos we wczesnych etapach swojego rozwoju. „Małe czerwone punkty” wydają się stanowić fazę przejściową: pojawiają się one w bardzo specyficznym przedziale czasowym, kiedy we wszechświecie nadal panowały warunki niskiej koncentracji metali, niezbędne do bezpośredniego zapadnięcia się chmur gazowych bez fragmentacji na gwiazdy.
Badania pokazują, że niezwykle zwarta forma tych obiektów jest naturalną konsekwencją tego procesu, ponieważ większość wykrytej energii pochodzi z niewielkiego obszaru otaczającego czarną dziurę. Ponadto fakt, że populacja czerwonych punktów zmniejsza się wraz z ewolucją Wszechświata, jest zgodny z przewidywaniami teoretycznymi: warunki środowiskowe niezbędne do bezpośredniego zapadnięcia się stawały się coraz rzadsze w miarę upływu czasu kosmicznego.
Kosmiczny teleskop Jamesa Webba nie tylko wykrywa czerwone punkty, ale także obserwuje ogromne formowanie się zalążków ciężkich czarnych dziur u zarania dziejów. Ten model teoretyczny pozwala nam konsekwentnie wyjaśniać zagadki tych obiektów, oferując znacznie jaśniejszy obraz tego, jak kosmos przekształcił się ze skupiska gazu w miejsce zamieszkane przez gigantyczne galaktyki .
