Zdá sa, že v strede každej galaxie existujú supermasívne čierne diery, ktoré sa datujú od niektorých z prvých galaxií vo vesmíre. Netušíme, ako sa tam dostali. Nemalo by byť možné, aby vyrástli zo zvyškov supernov do obrovských rozmerov tak rýchlo ako oni. Nie sme si vedomí žiadneho iného mechanizmu, ktorý by mohol vytvoriť niečo dostatočne veľké na to, aby exponenciálny rast nebol potrebný.

Zjavná nemožnosť supermasívnych čiernych dier v ranom vesmíre bola skutočne menším problémom; Vesmírny teleskop Jamesa Webba situáciu zhoršil tým, že našiel predchádzajúce príklady galaxií so supermasívnymi čiernymi dierami. V najnovšom príklade výskumníci použili Webba na charakterizáciu kvazaru poháňaného supermasívnou čiernou dierou, aký existoval približne 750 miliónov rokov po Veľkom tresku. A vyzerá to šokujúco normálne.

Pohľad späť v čase

Kvazary sú najjasnejšie objekty vo vesmíre, aktívne poháňané supermasívnymi čiernymi dierami. Galaxia, ktorá ich obklopuje, im poskytuje dostatok materiálu na vytvorenie jasných akréčných diskov a silných výtryskov, z ktorých oba vyžarujú veľké množstvo žiarenia. Často sú čiastočne pokryté prachom, ktorý žiari v dôsledku absorbovania časti energie vyžarovanej čiernou dierou. Tieto kvazary vyžarujú toľko žiarenia, že nakoniec úplne vytlačia nejaký blízky materiál z galaxie.

Prítomnosť týchto prvkov v ranom vesmíre by nám teda napovedala, že supermasívne čierne diery existovali nielen v ranom vesmíre, ale boli tiež začlenené do galaxií, ako sú nedávno. Ich štúdium však bolo veľmi ťažké. Na začiatok, veľa z nich sme neidentifikovali; Existuje len deväť kvazarov, ktoré sa datujú do obdobia, keď bol vesmír starý 800 miliónov rokov. Kvôli tejto vzdialenosti je ťažké identifikovať prvky a červený posun spôsobený expanziou vesmíru odoberá intenzívne ultrafialové žiarenie z mnohých prvkov a rozširuje ho do hlbokej infračervenej oblasti.

Teleskop Webb bol však špeciálne navrhnutý na detekciu objektov v ranom vesmíre vďaka svojej citlivosti na infračervené vlnové dĺžky, kde sa toto žiarenie objavuje. Takže nový výskum sa spolieha na nasmerovanie Webba na prvý z deviatich objavených kvazarov, J1120+0641.

A vyzerá to… pozoruhodne normálne. Alebo aspoň veľmi podobné kvazarom z novších období histórie vesmíru.

Väčšinou normálne

Výskumníci analyzovali kontinuitu žiarenia z kvazaru a našli jasné náznaky, že bol vložený do masy horúceho, prašného materiálu, ako je vidieť v neskorších kvazaroch. Tento prach je o niečo teplejší ako niektoré moderné kvazary, no zdá sa, že toto je spoločná vlastnosť týchto objektov v raných fázach histórie vesmíru. V emisnom spektre sa objavuje aj žiarenie z akrečného disku.

Rôzne metódy na odhadovanie hromadne vyrobených hodnôt pre čiernu dieru v oblasti 10⁹ Mnohonásobok hmotnosti Slnka, čo ho jasne uvádza v oblasti supermasívnej čiernej diery. Existuje tiež dôkaz z mierneho modrého posunu časti žiarenia, že kvazar odfukuje materiál rýchlosťou asi 350 kilometrov za sekundu.

Existuje niekoľko zvláštností. Prvým je, že materiál tiež padá dovnútra rýchlosťou asi 300 kilometrov za sekundu. Mohlo by to byť spôsobené rotáciou materiálu v akrečnom disku smerom od nás. Ale ak áno, musí sa stretnúť s materiálom rotujúcim smerom k nám na druhej strane disku. Toto bolo pozorované niekoľkokrát vo veľmi skorých kvazaroch, ale vedci uznávajú, že „fyzikálny pôvod tohto efektu nie je známy.“

Jednou z možností, ktorú navrhujú ako vysvetlenie, je, že celý kvazar sa pohybuje, otrasený zo svojej polohy v galaktickom strede predchádzajúcim spojením s inou supermasívnou čiernou dierou.

Ďalšou zvláštnou vecou je, že existuje aj veľmi rýchly tok vysoko ionizovaného uhlíka, ktorý sa v neskorších časoch pohybuje dvakrát rýchlejšie ako v kvazaroch. Už sme to videli, ale ani pre to neexistuje žiadne vysvetlenie.

Ako sa to stalo?

Napriek zvláštnostiam sa tento objekt veľmi podobá na nedávne kvazary: „Naše pozorovania ukazujú, že zložité štruktúry prašného torusu a hviezdy [accretion disk] Môže sa preukázať okolo a [supermassive black hole] „Menej ako 760 miliónov po veľkom tresku.“

Opäť je to trochu problém, pretože to naznačuje prítomnosť supermasívnej čiernej diery zabudovanej v jej hostiteľskej galaxii veľmi skoro v histórii vesmíru. Aby sa dosiahli také veľkosti, aké sú tu znázornené, čierne diery sa tlačia proti tomu, čo sa nazýva Eddingtonov limit, čo je množstvo materiálu, ktoré môžu vtiahnuť skôr, ako výsledné žiarenie vypudí okolitý materiál a udusí zásobu potravy čiernej diery.

To naznačuje dve možnosti. Prvým je, že tieto objekty po väčšinu svojej histórie absorbovali materiál ďaleko za hranicou Eddingtona, čo sme nepozorovali a určite to neplatí pre tento kvazar. Ďalšou možnosťou je, že začali obrovské (asi v 10⁴ násobok hmotnosti Slnka) a pokračoval v kŕmení rozumnejšou rýchlosťou. Ale naozaj nevieme, ako sa niečo také veľké mohlo vytvoriť.

Preto raný vesmír zostáva trochu mätúcim miestom.

Prírodná astronómia, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (O digitálnych identifikátoroch).