Astronomowie odkrywają 83 supermasywne czarne dziury we wczesnym wszechświecie

Astronomowie z Japonii, Tajwanu i Princeton University odkryli 83 kwazary zasilane supermasywnymi czarnymi dziurami w odległym wszechświecie, w czasie gdy wszechświat miał mniej niż 10% swojego obecnego wieku.

“To zdumiewające, że takie masywne, gęste obiekty były w stanie uformować się tak szybko po Wielkim Wybuchu” mówi Michael Strauss, profesor astrofizyki z Princeton University, który jest jednym ze współautorów opracowania. “Zrozumienie jak czarne dziury powstawały we wczesnym wszechświecie i jak powszechnie występują stanowi poważne wyzwanie dla naszych modeli kosmologicznych”.

Odkrycie to znacząco zwiększa liczbę czarnych dziur znanych w tej epoce i dowodzi po raz pierwszy jak powszechnie występowały one na wczesnych etapach historii wszechświata. Dodatkowo, mówi nam także wiele o wpływie czarnych dziur na fizyczny stan gazu w pierwszym miliardzie lat historii. Wyniki badań opublikowane zostały w formie pięciu artykułów naukowych w The Astrophysical Journal oraz Publications of the Astronomical Observatory of Japan.

Supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk mogą być miliony lub miliardy razy masywniejsze od Słońca. Choć są one powszechne obecnie, nie wiadomo kiedy zaczęły powstawać i jak wiele ich istniało w odległym wczesnym wszechświecie. Supermasywna czarna dziura staje się widoczna gdy opada na nią gaz sprawiając, że świeci jako “kwazar”. Wcześniejsze badania pozwalały nam dostrzec tylko najrzadsze, najjaśniejsze kwazary, a tym samym tylko najmasywniejsze czarne dziury. Nowe odkrycia pozwalają badać populację słabszych kwazarów zasilanych przez czarne dziury o masie porównywalnej do większości czarnych dziur obserwowanych we współczesnym wszechświecie.

Zespół badaczy wykorzystał dane zebrane za pomocą instrumentu “HYper Suprime-Cam” (HSC) zainstalowanego na pokładzie Teleskopu Subaru należącego do NAOJ, znajdującego się na szczycie Maunakea na Hawajach. HSC posiada gigantyczne pole widzenia – 1,77 stopnia, czyli siedmiokrotnie większe od powierzchni Księżyca w pełni i zainstalowany jest na jednym z największych teleskopów na Ziemi. Zespół HSC obserwował niebo w ciągu 300 nocy obserwacyjnych rozłożonych na pięć lat.

Zespół wybrał odległe obiekty z danych zebranych podczas przeglądu HSC. Następnie przeprowadzono intensywną kampanię obserwacyjną, aby uzyskać widma tych obiektów za pomocą trzech teleskopów: Teleskopu Subaru, Gran Telescopio Canarias na La Palmie na Wyspach Kanaryjskich oraz Gemini South w Chile. Analiza pozwoliła odkryć 83 wcześniej nieznane odległe kwazary. Wraz z 17 już znanymi obiektami tego typu w tej części nieba, badacze odkryli, że istnieje średnio jedna supermasywna czarna dziura na każdy giga-rok-świetlny sześcienny – innymi słowy: gdyby podzielić wszechświat na sześciany o krawędzi miliarda lat świetlnych, to w każdym z nich znalazłaby się jedna supermasywna czarna dziura.

Kwazary uwzględnione w tych badaniach znajdują się około 13 miliardów lat świetlnych od Ziemi czyli widzimy je takimi jakie były 13 miliardów lat temu. Jako że Wielki Wybuch miał miejsce 13,8 miliardów lat temu, patrzymy w odległą przeszłość, do czasu kiedy od momentu powstania wszechświata minęło zaledwie 800 milionów lat.

Powszechnie przyjmuje się, że wodór we wszechświecie był kiedyś neutralny, ale uległ “rejonizacji” rozbiciu na składowe protony i elektrony – mniej więcej w czasie gdy powstawała pierwsza generacja gwiazd, galaktyk i supermasywnych czarnych dziur w pierwszych kilkuset milionach lat po Wielkim Wybuchu. To kluczowy etap w historii wszechświata, jednak jak dotąd astronomowie nie dowiedzieli się co dostarczyło niewiarygodnej ilości energii niezbędnej do rejonizacji. Przekonująca hipoteza wskazuje, że we wczesnym wszechświecie istniało znacznie więcej kwazarów niż dotąd odkryto, i to ich łączne promieniowanie zrejonizowało wszechświat.

Zdjęcie wykonane za pomocą Hyper-Suprime Camera na Teleskopie Subaru na Maunakea przedstawia światło z jednego z najodleglejszych znanych kwazarów zasilanych przez supermasywną czarną dziurę 13,05 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Źródło: NAOJ

“Niemniej jednak, liczba obserwowanych przez nas kwazarów wskazuje, że tak nie było” tłumaczy Robert Lupton z Princeton. “Liczba obserwowanych przez nas kwazarów jest znacznie mniejsza od potrzebnej do wytłumaczenia rejonizacji wszechświata”. Rejonizacja zatem musiała opierać się o inne źródło energii, najprawdopodobniej liczne galaktyki, które wtedy zaczęły się pojawiać we wszechświecie.

Opisywane tu badania nie byłyby możliwe bez niesamowitych możliwości teleskopu Subaru i HSC.

Źródło: Princeton University

Author: Radek Kosarzycki

Niedoszły astronom. Prawie filolog. Aspołeczny popularyzator nauki. Kulturalny cham.