Černé díry a kvasary vznikly méně než miliardu let po velkém třesku

Zdá se, že ve středu každé galaxie existují supermasivní černé díry, které se datují od některých prvních galaxií ve vesmíru. Nemáme ponětí, jak se tam dostali. Nemělo by být možné, aby vyrostly ze zbytků supernovy do obrovských velikostí tak rychle, jako oni. Nejsme si vědomi žádného jiného mechanismu, který by mohl vytvořit něco dostatečně velkého, aby exponenciální růst nebyl nutný.

Zjevná nemožnost supermasivních černých děr v raném vesmíru byla skutečně menším problémem; Vesmírný dalekohled Jamese Webba situaci zhoršil tím, že našel předchozí příklady galaxií se supermasivními černými dírami. V posledním příkladu vědci použili Webba k charakterizaci kvasaru poháněného supermasivní černou dírou, jak existoval asi 750 milionů let po velkém třesku. A vypadá to překvapivě normálně.

Ohlédnutí v čase

Kvasary jsou nejjasnější objekty ve vesmíru, aktivně poháněné supermasivními černými dírami. Galaxie, která je obklopuje, jim poskytuje dostatek materiálu k vytvoření jasných akrečních disků a silných výtrysků, z nichž oba vyzařují velké množství záření. Často jsou částečně pokryty prachem, který září v důsledku absorbování části energie vyzařované černou dírou. Tyto kvasary vyzařují tolik záření, že nakonec vytlačí nějaký blízký materiál z galaxie úplně.

Přítomnost těchto prvků v raném vesmíru by nám tedy řekla, že supermasivní černé díry nejen existovaly v raném vesmíru, ale byly také začleněny do galaxií, jak tomu bylo nedávno. Jejich studium bylo ale velmi obtížné. Pro začátek jsme jich mnoho neidentifikovali; Existuje pouze devět kvasarů, které se datují do doby, kdy byl vesmír starý 800 milionů let. Kvůli této vzdálenosti je obtížné identifikovat rysy a rudý posuv způsobený expanzí vesmíru odebírá intenzivní ultrafialové záření z mnoha prvků a rozšiřuje je do hlubokého infračerveného záření.

Teleskop Webb byl však speciálně navržen k detekci objektů v raném vesmíru díky své citlivosti na infračervené vlnové délky, kde se toto záření objevuje. Nový výzkum tedy spoléhá na nasměrování Webba k prvnímu z devíti objevených kvasarů, J1120+0641.

A vypadá to… pozoruhodně normálně. Nebo alespoň velmi podobné kvasarům z novějších období historie vesmíru.

Většinou normální

Výzkumníci analyzovali kontinuitu záření z kvasaru a našli jasné náznaky, že byl zapuštěn do masy horkého, prašného materiálu, jak bylo vidět u pozdějších kvasarů. Tento prach je o něco žhavější než některé moderní kvasary, ale zdá se, že to je společný rys těchto objektů v raných fázích historie vesmíru. V emisním spektru se objevuje i záření z akrečního disku.

Různé metody pro odhadování hmotnostně vyrobených hodnot pro černou díru v oblasti 10⁹ Mnohonásobek hmotnosti Slunce, což ji jasně řadí do oblasti supermasivní černé díry. Existuje také důkaz, z mírného modrého posunu části záření, že kvasar odfukuje materiál rychlostí asi 350 kilometrů za sekundu.

Je tu pár zvláštností. První je, že materiál také vypadá, že padá dovnitř rychlostí asi 300 kilometrů za sekundu. To by mohlo být způsobeno rotací materiálu v akrečním disku směrem od nás. Ale pokud ano, musí to být splněno materiálem rotujícím směrem k nám na druhé straně disku. To bylo pozorováno několikrát u velmi raných kvasarů, ale výzkumníci uznávají, že „fyzický původ tohoto efektu není znám.“

Jednou z možností, kterou navrhují jako vysvětlení, je, že se celý kvasar pohybuje, otřesený ze své pozice v galaktickém centru předchozím splynutím s jinou supermasivní černou dírou.

Další zvláštní věcí je, že existuje také velmi rychlý tok vysoce ionizovaného uhlíku, který se v pozdějších dobách pohybuje dvakrát rychleji než v kvasarech. Už jsme to viděli, ale ani pro to neexistuje žádné vysvětlení.

Jak se to stalo?

Navzdory zvláštnostem se tento objekt velmi podobá nedávným kvasarům: „Naše pozorování ukazují, že složité struktury prašného torusu a hvězdy [accretion disk] Může se prokázat kolem a [supermassive black hole] „Méně než 760 milionů po velkém třesku.“

Opět je to trochu problém, protože to naznačuje přítomnost supermasivní černé díry zapuštěné v hostitelské galaxii velmi brzy v historii vesmíru. Aby dosáhly velikosti zde znázorněné, černé díry tlačí proti tomu, co se nazývá Eddingtonův limit, což je množství materiálu, které mohou vtáhnout dovnitř, než výsledné záření vypudí okolní materiál a udusí zásobu potravy černé díry.

To naznačuje dvě možnosti. První je, že tyto objekty po většinu své historie absorbovaly materiál daleko za Eddingtonovým limitem, což jsme nepozorovali a rozhodně to neplatí pro tento kvasar. Další možností je, že začali ohromně (asi v 10⁴ násobek hmotnosti Slunce) a pokračovalo v krmení přiměřenější rychlostí. Ale opravdu nevíme, jak se něco tak velkého mohlo vytvořit.

Proto raný vesmír zůstává poněkud matoucím místem.

Přírodní astronomie, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (O digitálních ID).