Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST), οι αστρονόμοι ανακάλυψαν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στην «κοσμική αυγή» που φαίνεται να είναι απίστευτα μεγάλη. Η σύγχυση προέρχεται από το γεγονός ότι δεν φαίνεται ότι αυτή η τεράστια κοιλότητα γιόρταζε πολλά πράγματα από το περιβάλλον της κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου – αλλά για να φτάσει στο απέραντο μέγεθός της, θα έπρεπε να ήταν αδηφάγο στην αρχή του χρόνου.
Η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που τροφοδοτεί ένα κβάζαρ στην καρδιά του γαλαξία J1120+0641 παρατηρήθηκε όταν το σύμπαν ήταν μόνο περίπου το 5% της τρέχουσας ηλικίας του. Έχει επίσης μάζα πάνω από ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου.
Ενώ είναι σχετικά εύκολο να εξηγήσουμε πόσο πιο κοντά, και επομένως νεότερες, υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έχουν αυξηθεί σε δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, οι διαδικασίες συγχώνευσης και τροφοδοσίας που επιτρέπουν μια τέτοια ανάπτυξη αναμένεται να διαρκέσουν περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι η εύρεση τέτοιων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών, που υπήρχαν πριν το σύμπαν ηλικίας 13,8 δισεκατομμυρίων ετών ήταν ένα δισεκατομμύριο ετών, είναι ένα πραγματικό δίλημμα.
Από τότε που τέθηκε σε λειτουργία το καλοκαίρι του 2022, το JWST έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικό στην ανακάλυψη τέτοιων προκλητικών μαύρων τρυπών στην κοσμική αυγή.
Μια θεωρία σχετικά με την πρώιμη ανάπτυξη αυτών των κοιλοτήτων είναι ότι βρίσκονταν σε μια φρενίτιδα σίτισης που ονομάζεται «εξαιρετικά αποτελεσματική λειτουργία σίτισης». Ωστόσο, οι παρατηρήσεις του JWST της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στο J1120+0641 δεν αποκάλυψαν έναν ιδιαίτερα αποτελεσματικό μηχανισμό τροφοδοσίας στο υλικό σε άμεση γειτνίαση. Αυτή η ανακάλυψη θέτει υπό αμφισβήτηση τον εξαιρετικά γρήγορο μηχανισμό τροφοδοσίας της υπερμεγέθους ανάπτυξης της μαύρης τρύπας και σημαίνει ότι οι επιστήμονες μπορεί να γνωρίζουν ακόμη λιγότερα για την πρώιμη εξέλιξη του Κόσμου από ό,τι πίστευαν.
Σχετίζεται με: Πώς θα μπορούσαν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες να μεγαλώσουν τόσο γρήγορα αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη;
«Συνολικά, οι νέες παρατηρήσεις προσθέτουν μόνο στο μυστήριο: τα πρώιμα κβάζαρ ήταν σοκαριστικά φυσιολογικά», δήλωσε η επικεφαλής της ομάδας και μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Αστρονομίας Max Planck (MPIA), Sarah Bosman, σε μια δήλωση. «Ανεξάρτητα σε ποια μήκη κύματος τα παρατηρούμε, τα κβάζαρ είναι σχεδόν πανομοιότυπα σε όλες τις εποχές του σύμπαντος».
Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ελέγχουν τη διατροφή τους
Τα τελευταία 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια κοσμικής ιστορίας, οι γαλαξίες έχουν αυξηθεί σε μέγεθος αυξάνοντας σε μάζα είτε απορροφώντας το περιβάλλον αέριο και σκόνη, κανιβαλίζοντας μικρότερους γαλαξίες ή συγχωνεύοντας με μεγαλύτερους γαλαξίες.
Πριν από περίπου 20 χρόνια, προτού το JWST και άλλα τηλεσκόπια αρχίσουν να ανακαλύπτουν ανησυχητικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο πρώιμο σύμπαν, οι αστρονόμοι πίστευαν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών αυξάνονταν σταδιακά με το ίδιο βήμα με τις διαδικασίες που οδηγούσαν σε γαλαξιακή ανάπτυξη.
Στην πραγματικότητα, υπάρχουν όρια στο πόσο γρήγορα μπορεί να αναπτυχθεί μια μαύρη τρύπα – όρια που θέτουν αυτοί οι κοσμικοί τιτάνες στον εαυτό τους.
Λόγω της διατήρησης της γωνιακής ορμής, η ύλη δεν μπορεί να πέσει απευθείας σε μια μαύρη τρύπα. Αντίθετα, ένα πεπλατυσμένο νέφος ύλης που ονομάζεται δίσκος προσαύξησης σχηματίζεται γύρω από τη μαύρη τρύπα. Επιπλέον, η τεράστια βαρύτητα της κεντρικής μαύρης τρύπας οδηγεί σε ισχυρές παλιρροϊκές δυνάμεις που δημιουργούν αναταράξεις στον δίσκο προσαύξησης, θερμαίνοντάς τον και αναγκάζοντας τον να εκπέμπει φως σε ολόκληρο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Αυτές οι εκπομπές είναι τόσο φωτεινές που συχνά ξεπερνούν το συνδυασμένο φως όλων των αστεριών στον περιβάλλοντα γαλαξία. Οι περιοχές όπου συμβαίνουν όλα αυτά ονομάζονται κβάζαρ και αντιπροσωπεύουν μερικά από τα φωτεινότερα αντικείμενα στον ουρανό.
Αυτή η φωτεινότητα έχει μια άλλη λειτουργία. Αν και το φως δεν έχει μάζα, ασκεί πίεση. Αυτό σημαίνει ότι το φως που εκπέμπεται από τα κβάζαρ ωθεί τη γύρω ύλη. Όσο πιο γρήγορα τροφοδοτείται η μαύρη τρύπα που τροφοδοτεί το κβάζαρ, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεση ακτινοβολίας και τόσο πιο πιθανό είναι η μαύρη τρύπα να κόψει τη δική της παροχή τροφής και να σταματήσει να αναπτύσσεται. Το σημείο στο οποίο οι μαύρες τρύπες ή άλλοι αυξητές λιμοκτονούν σπρώχνοντας μακριά την περιβάλλουσα ύλη ονομάζεται «όριο Eddington».
Αυτό σημαίνει ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες δεν μπορούν να τραφούν και να αναπτυχθούν με κανέναν τρόπο. Ως εκ τούτου, η αναζήτηση για υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες με μάζες 10 δισεκατομμυρίων Ήλιων στον πρώιμο κόσμο, ειδικά λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, είναι ένα πραγματικό πρόβλημα.
Οι αστρονόμοι πρέπει να μάθουν περισσότερα για τα πρώιμα κβάζαρ για να προσδιορίσουν εάν οι πρώιμες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ήταν σε θέση να ξεπεράσουν το όριο του Έντινγκτον και να γίνουν οι λεγόμενοι «υπερ-Έντινγκτον αυξητές».
Για να γίνει αυτό, τον Ιανουάριο του 2023, η ομάδα έστρεψε το όργανο μέσης υπέρυθρης ακτινοβολίας (MIRI) του JWST στο κβάζαρ στην καρδιά του J1120+0641, που βρίσκεται 13 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά και είναι ορατό μόλις 770 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η μελέτη αντιπροσωπεύει την πρώτη μεσαία υπέρυθρη μελέτη ενός κβάζαρ που υπήρχε την κοσμική αυγή.
Το φάσμα φωτός από αυτήν την πρώιμη υπερμεγέθη μαύρη τρύπα αποκάλυψε τις ιδιότητες του μεγάλου, δακτυλιοειδούς σχήματος «τόρου» αερίου και σκόνης που περιφέρεται γύρω από τον δίσκο προσαύξησης. Αυτός ο δακτύλιος βοηθά στην καθοδήγηση της ύλης στον δίσκο προσαύξησης, από όπου τροφοδοτείται σταδιακά στην υπερμεγέθη μαύρη τρύπα.
Οι παρατηρήσεις MIRI αυτού του κβάζαρ έδειξαν ότι η κοσμική αλυσίδα εφοδιασμού λειτουργεί παρόμοια με αυτή των «μοντέρνων» κβάζαρ, τα οποία βρίσκονται πιο κοντά στη Γη και επομένως υπάρχουν σε μεταγενέστερες εποχές του σύμπαντος. Αυτά είναι άσχημα νέα για τους υποστηρικτές της θεωρίας ότι ένας ενισχυμένος μηχανισμός τροφοδοσίας οδήγησε στην ταχεία ανάπτυξη των πρώιμων μαύρων τρυπών.
Παρόμοιες αναρτήσεις:
— 12 δισεκατομμύρια χρόνια ιστορίας μαύρης τρύπας που αποκαλύφθηκε με ακτίνες Χ και προσομοιώσεις
— Στην καρδιά αυτού του μακρινού γαλαξία δεν βρίσκεται μία, αλλά δύο μαύρες τρύπες που εκπέμπουν ακτίνες
– Θα μπορούσαν τελικά αυτές οι «μουρές» μαύρων τρυπών να αποδείξουν τη διάσημη θεωρία του Στίβεν Χόκινγκ;
Επιπλέον, οι μετρήσεις της περιοχής γύρω από την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα, όπου η ύλη στροβιλίζεται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός, συμφωνούσαν με τις παρατηρήσεις των ίδιων περιοχών των σύγχρονων κβάζαρ.
Οι παρατηρήσεις του JWST αυτού του κβάζαρ αποκάλυψαν μια βασική διαφορά μεταξύ αυτού και των σύγχρονων ομολόγων του. Η σκόνη στον τόρο γύρω από τον δίσκο προσαύξησης ήταν σε θερμοκρασία περίπου 1.130 βαθμών Κελσίου, η οποία είναι περίπου 100 μοίρες θερμότερη από τους δακτυλίους σκόνης γύρω από υπερμεγέθη κβάζαρ που τροφοδοτούνται από μαύρες τρύπες που φαίνονται πιο κοντά στη Γη.
Τα αποτελέσματα της έρευνας προτείνουν μια διαφορετική μέθοδο ανάπτυξης υπερμεγέθων μαύρων τρυπών στα αρχικά στάδια. Υποδηλώνει ότι αυτοί οι κοσμικοί τιτάνες είχαν το προβάδισμα στο πρώιμο σύμπαν όταν σχηματίστηκαν από ήδη τεράστιους «σπόρους» μαύρων τρυπών. Αυτοί οι βαρείς σπόροι θα είχαν μάζα τουλάχιστον εκατό χιλιάδων ηλιακών μαζών και θα είχαν σχηματιστεί απευθείας από την κατάρρευση πρώιμων και ογκωδών νεφών αερίου.
Η έρευνα της ομάδας δημοσιεύτηκε στις 17 Ιουνίου στο περιοδικό Nature Astronomy.