Milžiniška mieganti juodoji skylė ankstyvoje Visatoje

Dabar tylu. Anksčiau šis objektas galėjo šviesti kaip kvazaras, nuslėgdamas visą savo galaktiką. Šiandien tai miegantis gigantas: milžiniška juodoji skylė, kurios masė siekia maždaug šešis milijardus Saulės masių, pastebėta tuo laikotarpiu, kai Visatai buvo vos apie tris milijardus metų.

Kaip astronomai atrado paslėgtą sunkiasvorį

Astronomai paprastai ankstyvąją Visatą aptinka ieškodami šviesos: ryškūs kvazarai rodo, kad supermasyvios juodosios skylės aktyviai grobia dujas. Tačiau ne kiekviena didelė juodoji skylė palieka švytinčią pėdsaką. Kai kurios užgęsta, kai baigiasi kuras arba kai grįžtamasis poveikis pašildo ir išstumia aplinkines dujas. Tokių tylesnių milžinų aptikti daug sunkiau. Taigi kaip išmatuoti tai, ko nematai?

Ši komanda vienu metu panaudojo du kosminius įrankius: NASA Jameso Webbo kosminio teleskopo aštrų infraraudonųjų spindulių matymą ir gravitacinio lęšio didinimo galią. Artimesnė galaktika yra tiesiogiai vaizdo matymo linijoje į MRG-M0138 ir sulenkia bei sustiprina tolimesnės galaktikos šviesą maždaug 30 kartų. Šis natūralus teleskopas ištiesė vaizdą, leidžiant JWST atskirti detales, kurios kitu atveju būtų sudilusios į blankias dėmes.

Su tokiu sustiprintu vaizdu tyrėjai sekė žvaigždžių judesius per galaktikos centrą. Žvaigždės jaučia visos viduje orbitų esančios masės gravitaciją. Jei centre slėpsis labai masyvus, kompaktiškas objektas, arti centrinės srities esančios žvaigždės judės greičiau nei toliau esančios. Kartografuodami greičių pasiskirstymą ir konstruduodami dinamikos modelius, komanda nustatė supermasyvios juodosios skylės buvimą ir įvertino jos masę maždaug šešiais milijardais Saulės masių. Matavimas atliktas naudojant žvaigždžių dinamiką, metodą, gerai pažįstamą iš Paukščių Tako ir artimų galaktikų tyrimų, tačiau pritaikytą precedento neturinčiu kosmologiniu atstumu.

Kodėl šis matavimas svarbus

Rasti užgesusią juodąją skylę tokiu dideliu atstumu reiškia esminį požiūrio pasikeitimą. Iki šiol tolimiausia užgesusi juodoji skylė, kurios masė buvo nustatyta žvaigždžių judesių pagalba, buvo maždaug už 700 milijonų šviesmečių. MRG-M0138 yra daugiau nei už 10 milijardų šviesmečių, todėl ši technika pasiekė dar tolimesnę kosminę istoriją ir sutrupino atstumo rekordą maždaug 15 kartų.

Toks pasiekiamumas keičia tai, ką astronomai gali tikrinti apie galaktikų ir juodųjų skylių bendraevoliuciją. Artimos galaktikos rodo glaudžią koreliaciją: didesni kupolai linkę turėti sunkesnes juodąsias skyles. Tačiau nežinome, ar ši sąsaja jau buvo nustatyta ankstyvaisiais laikais, ar juodosios skylės ir galaktikos vystėsi skirtingais keliais, kol galiausiai užsifiksavo dabartiniame modelyje.

Naujasis rezultatas suteikia retą duomenų tašką iš eros, kai žvaigždžių formavimasis ir juodųjų skylių augimas vidutiniškai buvo intensyvesni. Svarbu ir tai, kad tiek juodoji skylė, tiek jos gimtoji galaktika atrodo rami. Galaktikoje pastebima labai nedaug vykstančio žvaigždžių formavimosi, o tai rodo, kad kažkas užblokavo žvaigždžių gimimą gerokai anksčiau nei dabar. Vienas tikėtinas paaiškinimas yra tas, kad juodoji skylė anksčiau labai greitai augo, o per tą fazę išsiskyrusi energija pašildė arba išstūmė dujas, reikalingas žvaigždėms formuotis — tai vadinama žvaigždžių formavimosi slopinimu. Toks scenarijus prieštarauja juodosios skylės fizikai su galaktikos evoliucija priežastiniu ryšiu.

Technika ir technologija

Žvaigždžių dinamika koncepcijos prasme paprasta, bet praktiškai reikalauja daug pastangų. Stebėtojams reikalingas aukštas erdvinis raiškumas ir jautri spektroskopija, kad būtų galima išmatuoti, kaip žvaigždžių greičiai keičiasi pagal spindulį. JWST suteikia jautrumą ir infraraudonųjų spindulių aprėptį, būtinas tolimoms, raudonoms galaktikoms tirti. Gravitacinis lęšis suteikia erdvinį padidinimą. Kartu jie leido komandai, kuriai vadovauja Andrew Newman iš Carnegie Science bendradarbiaujant su University College London ir kitomis institucijomis, pažvelgti į juodosios skylės įtakos sferą tuo metu, kai Visatai buvo mažiau nei ketvirtis dabartinio amžiaus.

Tikslus dinaminis modeliavimas taip pat reikalauja kruopštaus galaktikos masės pasiskirstymo įvertinimo, įskaitant žvaigždes ir tamsiąją materiją, bei orbitinių anizotropijų supratimo. Tyrėjai paleido įvairių modelių rinkinį, kad atskirtų centrinę taškinę masę — juodąją skylę — nuo išsisklaidžiusios žvaigždžių populiacijos masės. Rezultatas išliko tvirtas: supermasyvi, tačiau šiuo metu neaktyvi juodoji skylė dominuoja galaktikos centre.

JWST ir gravitacinis lęšis leido tarptautinei astronomų komandai, kuriai vadovavo Carnegie Science atstovas Andrew Newman, pirmą kartą išmatuoti miegancios juodosios skylės masę ankstyvoje Visatoje.

Pasekmės būsimiems tyrimams ir teorijoms

Šis atradimas atveria naują stebėjimų kanalą. Jei JWST kartu su lęšiais gali atskleisti užgesusias juodąsias skyles kosmologiniais atstumais, apklausos, nukreiptos į masyvias, lęšinės formos galaktikas, galėtų sudaryti statistinį imtį per visą kosminį laiką. Tai leistų teorikams patikrinti, ar juodosios skylės ankstyvojoje Visatoje nuosekliai lenkė žvaigždžių augimą, ar abi sudedamosios dalys augo kartu.

Yra platesnių pasekmių grįžtamojo ryšio, žvaigždžių formavimosi slopinimo ir aktyvių galaktikų branduolių gyvavimo ciklams modeliuoti. Svarbu suprasti, kada ir kodėl juodosios skylės „užsiveria“, nes tai lems galaktikų populiacijų evoliucijos prognozes. Jeigu miegantys milžinai yra dažni dideliu raudonuoju poslinkiu, intensyvių akrecijos epizodų, po kurių seka ilga ramybės fazė, galima laikyti įprasta galaktikos gyvenimo stadija. Alternatyviai, tokie objektai gali būti retesni, išlikę kaip ypatingų augimo įvykių reliktai.

Ateities stebėjimai taip pat gali patikrinti, ar užgesusios juodosios skylės gali vėl įsijungti. Naujas šaltas dujų pritekėjimas, pavyzdžiui susijungimo metu, galėtų atkurti aktyvumą ir transformuoti tylų branduolį atgal į kvazarą. Aplinkos stebėjimas ir lęšintų galaktikų susijungimų istorijų tyrimas bus dalis ateities strategijos.

Eksperto įžvalga

"Šis matavimas parodo, kad JWST ir gravitacinio lęšio derinys nėra tik naujovė, bet praktiškas būdas pritaikyti klasikines dinamines technikas ankstyvajai Visatai", sako fiktyvi, bet reprezentatyvi ekspertė, dr. Elena Marquez, astrofizikė, tyrinėjanti galaktikų formavimąsi. "Tai suteikia tiesioginį pagrindą juodųjų skylių masėms ten, kur anksčiau turėjome tik netiesiogines spėliones, remiantis ryškumu. Tai privers teorikus patikslinti, kaip jie modeliuoja galaktikų ir jų centrinių juodųjų skylių bendraevoliuciją."

Dr. Marquez priduria: "Kitas žingsnis — pavienius atradimus paversti imtimis. Turėdami kelis gerai ištirtus sistemų pavyzdžius iš skirtingų epochų, galėsime pradėti žemėlapiuoti juodųjų skylių augimo tempą palyginus su žvaigždžių formavimusi."

Išvada

MRG-M0138 mieganti, šešių milijardų Saulės masių juodoji skylė perorientuoja dalį juodųjų skylių žemėlapio. Tai įrodo, kad sunkiasvoriai egzistavo ir jau buvo nurimę, kai Visata buvo jauna. Dar svarbiau, tai parodo, kad sujungus JWST jautrumą ir gamtos suteiktus gravitacinius lęšius astronomai gali sverti nematomas milžines gerokai už praeities instrumentų galimybių ribų. Plintant apklausoms ir tobulėjant modeliams, šie miegantieji gigatai padės paaiškinti, kaip ryškiausios ir tamsiausios galaktikos dalys formavo viena kitą per kosminį laiką.