Kwazary z początków Wszechświata mogły zatrzymywać narodziny gwiazd

Astronomowie odkryli, że kwazary we wczesnym Wszechświecie mogły zatrzymywać proces powstawania gwiazd. Potężne wiatry generowane przez te obiekty mogły odgrywać kluczową rolę w ewolucji najstarszych galaktyk.

Wpływ kwazarów na galaktyki

Jak wskazują astronomowie, supermasywne czarne dziury zamieszkują centra masywnych galaktyk, w tym również Drogi Mlecznej. Zagadką dla badaczy pozostaje fakt, że obiekty o masie przekraczającej miliard mas Słońca wydają się istnieć już kilkaset milionów lat po Wielkim Wybuchu, gdy Wszechświat miał mniej niż 5 proc. swojego obecnego wieku. Gdy międzygwiazdowy gaz spiralnie opada w kierunku takich czarnych dziur, osiąga ekstremalne prędkości, nagrzewa się i emituje intensywne promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym, tworząc obiekt nazywany „kwazarem”.

Teoretyczne modele ewolucji wczesnych galaktyk dotychczas przewidywały, że energia emitowana przez kwazary powinna wystarczyć do wyrzucania ogromnych ilości międzygwiazdowego gazu z galaktyk macierzystych z olbrzymimi prędkościami, przekraczającymi kilka tysięcy kilometrów na sekundę. Te „wiatry galaktyczne” – ogromne strumienie gazu wyrzucane z galaktyk – naukowcy uważali za zjawisko, które w znaczący sposób wpływa na ewolucję ich struktur macierzystych. Tym, co jednak zadziwiło astronomów, było to, że wykryto je w kwazarach pochodzących z początków kosmosu.

Wiatry galaktyczne zatrzymujące powstawanie gwiazd

W ramach nowego badania naukowcy z Newcastle University i University of Arizona, wykorzystując obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, odkryli wyraźne ślady wiatrów galaktycznych w próbce kwazarów z pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata. Zdaniem astronomów wydaje się również, że tego rodzaju zjawiska były bardziej powszechne, a ich prędkości porównywalne lub nawet większe niż w przypadku kwazarów rozświetlających kosmos w późniejszych epokach. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Nature”.

„Od dawna przewidywaliśmy, że wczesne kwazary mogły generować potężne wiatry obejmujące całe galaktyki macierzyste. To niesamowite, że widzimy teraz wyraźne dowody na to, że takie wypływy były powszechne – a nawet bardziej ekstremalne – we wczesnym Wszechświecie. Wyzwaniem teraz będzie zrozumienie, dlaczego oraz jaką rolę odgrywały w kształtowaniu tych masywnych galaktyk i ich otoczenia” – mówi Tiago Costa z Newcastle University.

Wygaszanie młodych galaktyk

Badanie, zdaniem astronomów, może pomóc wyjaśnić inną kosmologiczną zagadkę – przy bardzo wysokich „przesunięciach ku czerwieni”, w ciągu około dwóch miliardów lat po Wielkim Wybuchu, naukowcy odkryli zaskakująco dużą liczbę młodych galaktyk, które bardzo wcześnie przestały tworzyć gwiazdy.

„Wiele z tych galaktyk wygląda na stare w tym sensie, że przestały tworzyć gwiazdy znacznie wcześniej, niż można by się spodziewać. Jak mogły powstać tak wcześnie i stać się tak masywne, skoro tak szybko zakończyły proces formowania gwiazd? To zaskakujące odkrycie podważyło nasz obecny paradygmat ewolucji galaktyk i było jedną z głównych motywacji stojących za naszym badaniem” – twierdzi Weizhe Liu z University of Arizona.

Jak wskazują naukowcy, prawdopodobnymi sprawcami tego procesu, znanego jako „wygaszanie” („quenching”), mogą być potężne wiatry generowane przez kwazary, które obecnie zostały zaobserwowane przez Teleskop Webba. Symulacje przeprowadzone w ramach nowego badania sugerują, że kwazary swoim oddziaływaniem pozbawiają galaktyki zapasów gazu, uniemożliwiając dalsze formowanie gwiazd.

Kwazary z pierwszego miliarda lat Wszechświata

Badacze przeczesywali Wszechświat o wysokim przesunięciu ku czerwieni, w poszukiwaniu kwazarów, dzięki czemu udało im się odkryć 27 takich obiektów z okresu około miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Sześć z nich wyróżniało się wyjątkowo szybkimi wiatrami obejmującymi skalę całej galaktyki, osiągającymi do 8,4 tys. km/s, co zdaniem astronomów jest ekstremalnie wysoką wartością nawet dla kwazarów. Badanie sugeruje, że kwazary z wyjątkowo szybkimi wyrzutami były co najmniej cztery razy częstsze przy wyższych przesunięciach ku czerwieni (czyli bliżej Wielkiego Wybuchu) niż w przypadku późniejszych, a średnia energia kinetyczna ich wiatrów była około 100 razy wyższa niż u młodszych obiektów tego typu.

„Kwazary z ekstremalnymi wyrzutami były znacznie częstsze we wczesnym Wszechświecie i z czasem stawały się coraz rzadsze, co jest zaskakujące” – podkreśla Xiaohui Fan z University of Arizona.

Zdaniem naukowców takie „superkwazary” mogą pomóc wyjaśnić dużą liczbę galaktyk, które we wczesnym Wszechświecie przedwcześnie zakończyły proces tworzenia gwiazd. Chociaż niektóre z tego typu obiektów posiadają wyraźne dżety cząstek, zwykle wyrzucane w przeciwnych kierunkach, naukowcy od dawna wiedzą, że to nie strugi usuwają gaz z galaktyk.

„Te dżety poruszają się z prędkościami bliskimi prędkości światła. W praktyce przebijają jedynie wąski tunel w galaktyce. Natomiast wypływy, o których tutaj mówimy, bardziej przypominają wiatry gwiazdowe i uważamy, że mogą być napędzane w wielu kierunkach przez ciśnienie promieniowania wynikające z ekstremalnie jasnego światła kwazara” – zaznacza Xiaohui Fan.

Badacze oszacowali również, że kwazary z ekstremalnymi wyrzutami są niezwykle krótkotrwałe – przechodzą w stan uśpienia w ciągu około 100 milionów lat, co w skali kosmicznej jest niezwykle krótkim czasem, pozostawiając po sobie spokojną galaktykę. Astronomowie wskazują, że każdego roku galaktyka z takim kwazarem w centrum traci ilość gazu odpowiadającą tysiącom mas Słońca.

Wpływ na ewolucję galaktyk

Wyniki sugerują, że potężne wiatry napędzane przez kwazary mogły odgrywać kluczową rolę w zatrzymywaniu procesu tworzenia gwiazd w niektórych z najwcześniejszych masywnych galaktyk Wszechświata, wpływając na ich ewolucję w całej historii kosmosu.

Emil Gołoś