Astronomowie zaobserwowali nieuchwytne światło gwiazd otaczające starożytne kwazary

Naukowcy uchwycili światło gwiazd otaczających kwazary, które powstały niedługo po początku Wszechświata. Odległe sygnały, które sięgają ponad 13 miliardów lat wstecz do początków kosmosu, ujawniają wskazówki dotyczące ewolucji pierwszych czarnych dziur i galaktyk.

Jak tłumaczą astronomowie, kwazary to centra aktywnych galaktyk, w których jądrze znajduje się supermasywna czarna dziura. Większość galaktyk posiada centralną czarną dziurę, która co jakiś czas pochłania gaz i gwiezdne szczątki, generując krótki rozbłysk światła w postaci świecącego pierścienia, gdy materia wokół niego akreuje.

Kwazary natomiast mogą pochłaniać ogromne ilości materii przez znacznie dłuższy czas, generując niezwykle jasny i długotrwały pierścień, zdaniem badaczy, sprawiając, że są one najjaśniejszymi obiektami we Wszechświecie.

Ponieważ są tak jasne, kwazary przyćmiewają resztę galaktyki, w której się znajdują. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) byli w stanie po raz pierwszy zaobserwować znacznie słabsze światło gwiazd w galaktykach macierzystych trzech starożytnych kwazarów.

Na podstawie tego nieuchwytnego światła gwiezdnego naukowcy oszacowali masę każdej galaktyki-gospodarza, porównując je z masami ich centralnych supermasywnych czarnych dziur. Okazało się, że są one znacznie masywniejsze w stosunku do galaktyk-gospodarzy, w porównaniu do ich współczesnych odpowiedników.

Badanie opublikowane w The Astrophysical Journal, rzuca więcej światła na to, w jaki sposób najwcześniejsze supermasywne czarne dziury stały się tak masywne pomimo stosunkowo krótkiego czasu ich istnienia, w którym mogły rosnąć. Jak wskazują astronomowie, te starożytne obiekty mogły wyrosnąć z bardziej masywnych „nasion” niż współczesne czarne dziury.

„Po powstaniu Wszechświata istniały zalążki czarnych dziur, które następnie pochłaniały materiał i rosły w bardzo krótkim czasie. Jednym z najważniejszych pytań jest zrozumienie, w jaki sposób te olbrzymy mogły urosnąć tak duże i tak szybko” – mówi Minghao Yue z MIT.

„Te czarne dziury były miliardy razy bardziej masywne niż Słońce, w czasie, gdy Wszechświat był jeszcze w powijakach. Nasze wyniki sugerują, że we wczesnym Wszechświecie supermasywne czarne dziury mogły zyskać swoją masę przed galaktykami, które były ich gospodarzami, a ich początkowe nasiona mogły być bardziej masywne niż obecnie” – tłumaczy Anna-Christina Eilers z MIT.

Ekstremalna jasność kwazarów jest oczywista od czasu, gdy astronomowie po raz pierwszy odkryli te obiekty w latach 60. ubiegłego wieku. Założono wówczas, że ich jasność pochodzi z pojedynczego, podobnego do gwiazdy „punktowego źródła”. Naukowcy określili te obiekty jako „kwazary”, z połączenia słów „quasi-stellar”.

Od czasu tych pierwszych obserwacji naukowcy zdali sobie sprawę, że kwazary w rzeczywistości nie mają pochodzenia gwiezdnego, a ich światło powstaje z akrecji materiału potężnych i supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk, które również goszczą gwiazdy, które są znacznie słabsze w porównaniu do ich jasnych rdzeni.

Oddzielenie światła pochodzącego z centralnej czarnej dziury kwazara od światła gwiazd galaktyki będącej jego gospodarzem stanowiło ogromne wyzwanie dla astronomów. Jednak w ostatnich latach badacze mieli na to znacznie większe szanse dzięki uruchomieniu należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), który był w stanie spojrzeć dalej w przeszłość, z dużo większą czułością i rozdzielczością niż jakiekolwiek wcześniej.

W swoim nowym badaniu naukowcy z MIT wykorzystali JWST do obserwacji sześciu znanych, starożytnych kwazarów. Naukowcy zebrali ponad 120 godzin obserwacji sześciu odległych obiektów.

„Kwazary przyćmiewają swoją galaktykę macierzystą o rzędy wielkości. A poprzednie zdjęcia nie były wystarczająco ostre, aby odróżnić, jak wygląda galaktyka macierzysta ze wszystkimi jej gwiazdami. Teraz po raz pierwszy jesteśmy w stanie ujawnić światło tych gwiazd, bardzo dokładnie modelując znacznie ostrzejsze obrazy tych kwazarów z JWST” – twierdzi Yue.

Astronomowie przeanalizowali dane, zebrane przez JWST, każdego z sześciu odległych kwazarów, których wiek oszacowali na około 13 miliardów lat. Informacje obejmowały pomiary światła każdego obiektu w różnych długościach fal. Naukowcy wprowadzili te dane do modelu określającego, jaka część tego światła prawdopodobnie pochodzi ze zwartego „źródła punktowego”, takiego jak dysk akrecyjny centralnej czarnej dziury, w porównaniu z bardziej rozproszonym źródłem, takim jak światło z otaczających gwiazd galaktyki macierzystej.

Dzięki temu modelowaniu naukowcy rozdzielili światło każdego kwazara na dwa komponenty – światło z centralnego dysku czarnej dziury i światło z bardziej rozproszonych gwiazd galaktyki macierzystej. Ilość światła z obu źródeł jest odzwierciedleniem ich całkowitej masy. Astronomowie oszacowali, że w przypadku tych kwazarów stosunek masy centralnej czarnej dziury do masy galaktyki macierzystej wynosił około 1:10. Zdali sobie sprawę, że jest to wyraźny kontrast z dzisiejszym bilansem masy wynoszącym 1:1000, w którym niedawno uformowane czarne dziury są znacznie mniej masywne w porównaniu z ich galaktykami-gospodarzami.

„To mówi nam coś o tym, co rośnie pierwsze: czy to czarna dziura rośnie pierwsza, a potem galaktyka ją dogania? A może to galaktyka i jej gwiazdy rosną jako pierwsze, dominując i regulując wzrost czarnej dziury? Widzimy, że czarne dziury we wczesnym Wszechświecie wydają się rosnąć szybciej niż ich galaktyki macierzyste. Jest to wstępny dowód na to, że początkowe nasiona czarnych dziur mogły być wtedy bardziej masywne”. Musiał istnieć jakiś mechanizm, który sprawiał, że czarne dziury zyskiwały masę wcześniej niż ich galaktyki macierzyste w ciągu tych pierwszych miliardów lat” – podsumowują naukowcy.

Emil Gołoś