Astronomowie odkryli starożytne samotne gwiazdy o tajemniczym pochodzeniu

Naukowcy zaproponowali, że najstarsze kwazary powstały z niezwykle gęstych obszarów pierwotnej materii, co spowodowało również powstanie wielu mniejszych galaktyk w środowisku kwazarów. Jednak w nowym badaniu przeprowadzonym przez MIT astronomowie zaobserwowali kilka starożytnych kwazarów, które wydają się być zaskakująco samotne we wczesnym wszechświecie.

Astronomowie wykorzystali należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), aby cofnąć się w czasie o ponad 13 miliardów lat i zbadać kosmiczny ocean pięciu znanych starożytnych kwazarów. Odkryli zaskakującą różnorodność w swoich dzielnicach, czyli „polach kwazarów”. Podczas gdy niektóre kwazary znajdują się na bardzo zatłoczonych polach z ponad 50 sąsiednimi galaktykami, jak przewidują wszystkie modele, pozostałe kwazary wydają się dryfować w pustkach, mając w pobliżu tylko kilka bezpańskich galaktyk.

Te samotne kwazary podważają wiedzę fizyków na temat tego, jak te świecące obiekty powstały tak wcześnie we wszechświecie, bez otaczającego je znaczącego źródła materii napędzającej wzrost czarnej dziury.

„Wbrew wcześniejszemu przekonaniu, kwazary te niekoniecznie znajdują się zazwyczaj w obszarach o największej gęstości we wczesnym Wszechświecie. Niektóre z nich wydają się znajdować pośrodku niczego”, mówi Anna-Christina Ehlers, adiunkt astronomii. Fizyka na MIT. „Trudno wyjaśnić, jak te kwazary mogą urosnąć do tak dużych rozmiarów, jeśli wydaje się, że nie mają czym się pożywić”.

Istnieje możliwość, że te kwazary nie są tak odizolowane, jak się wydaje, ale zamiast tego są otoczone przez galaktyki, które są w dużej mierze spowite pyłem i przez to ukryte przed wzrokiem. Ehlers i jej współpracownicy mają nadzieję udoskonalić swoje obserwacje, aby spróbować zobaczyć taki kosmiczny pył, aby zrozumieć, w jaki sposób kwazary rosły tak duże i tak szybko we wczesnym Wszechświecie.

Ehlers i jej współpracownicy przedstawiają swoje odkrycia w artykule, który ukazuje się dzisiaj w czasopiśmie Dziennik astrofizyczny . Współautorami z MIT są badacze ze stopniem doktora Rohan Naidu i Minghao Yu; Robert Simcoe, Francis Friedman profesor fizyki i dyrektor Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli w MIT; Współpracownicy pochodzą z takich instytucji, jak Uniwersytet w Leiden, Uniwersytet Kalifornijski w Santa Barbara, ETH Zurich i innych.

Galaktyczni sąsiedzi

Pięć nowo zaobserwowanych kwazarów należy do najstarszych kwazarów zaobserwowanych do tej pory. Obiekty te mają ponad 13 miliardów lat i uważa się, że powstały między 600 a 700 milionami lat po Wielkim Wybuchu. Supermasywne czarne dziury zasilające kwazary są miliard razy większe od Słońca i ponad bilion razy jaśniejsze. Ze względu na swoją intensywną jasność światło każdego kwazara może podróżować przez cały czas życia Wszechświata na tyle daleko, aby dotrzeć dziś do bardzo czułych detektorów Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.

„To niezwykłe, że mamy teraz teleskop, który może tak szczegółowo rejestrować światło sprzed 13 miliardów lat” – mówi Ehlers. „Po raz pierwszy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozwolił nam przyjrzeć się środowisku tych kwazarów, dowiedzieć się, gdzie dorastały i jak wyglądało ich sąsiedztwo”.

Zespół przeanalizował zdjęcia pięciu starożytnych kwazarów wykonanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w okresie od sierpnia 2022 r. do czerwca 2023 r. Obserwacje każdego kwazara składały się z wielu obrazów „mozaicznych”, czyli częściowych widoków pola kwazara, które zespół skutecznie połączył w celu uzyskania stworzyć pełny obraz. Z sąsiedztwa otaczającego każdy kwazar.

Teleskop dokonał także pomiarów światła na różnych długościach fal w polu każdego kwazara, które następnie zespół przetworzył, aby określić, czy konkretny obiekt w tym polu jest światłem z pobliskiej galaktyki i jak daleko galaktyka znajduje się od jaśniejszego centralnego kwazara.

„Odkryliśmy, że jedyną różnicą między tymi pięcioma kwazarami jest to, że ich otoczenie wygląda zupełnie inaczej” – mówi Ehlers. „Na przykład wokół jednego kwazara znajduje się prawie 50 galaktyk, podczas gdy drugi ma tylko dwie. Obydwa kwazary mają tę samą wielkość, wielkość, jasność i ramy czasowe Wszechświata. To było naprawdę zaskakujące”.

Gwałtowny wzrost

Asymetria w polach kwazarów zakłóca standardowy obraz wzrostu czarnych dziur i powstawania galaktyk. Według najlepszej wiedzy fizyków na temat pojawienia się pierwszych obiektów we wszechświecie, ton powinna nadać kosmiczna sieć ciemnej materii. Ciemna materia to nieznana forma materii, która nie oddziałuje z otoczeniem inaczej niż poprzez grawitację.

Uważa się, że wkrótce po Wielkim Wybuchu we wczesnym Wszechświecie utworzyły się pasma ciemnej materii, które służyły jako rodzaj ścieżki grawitacyjnej, przyciągającej gaz i pył wzdłuż swoich wąsów. W bardzo gęstych obszarach tej sieci materia może gromadzić się, tworząc bardziej masywne obiekty. Jaśniejsze, masywniejsze wczesne obiekty, takie jak kwazary, prawdopodobnie powstały w obszarach sieci o większej gęstości, z których mogło również powstać wiele mniejszych galaktyk.

„Kosmiczna sieć ciemnej materii stanowi skuteczną prognozę naszego kosmologicznego modelu Wszechświata i można ją szczegółowo opisać za pomocą symulacji numerycznych” – mówi współautorka Elia Pizzati, absolwentka Uniwersytetu w Lejdzie. „Porównując nasze obserwacje z tymi symulacjami, możemy określić, gdzie w kosmicznej sieci znajdują się kwazary”.

Naukowcy szacują, że kwazary musiałyby stale rosnąć z bardzo dużą szybkością akrecji, aby osiągnąć maksymalną masę i jasność w momencie ich obserwacji przez astronomów, niecałe miliard lat po Wielkim Wybuchu.

„Główne pytanie, na które staramy się odpowiedzieć, brzmi: w jaki sposób powstają te czarne dziury o masie miliardów mas Słońca, gdy Wszechświat jest wciąż bardzo młody? Jest jeszcze w powijakach” – mówi Ehlers.

Odkrycia zespołu mogą przynieść więcej pytań niż odpowiedzi. Wydaje się, że „samotne” kwazary żyją w stosunkowo pustych obszarach przestrzeni. Jeśli modele kosmologiczne fizyków są prawidłowe, te jałowe obszary wskazują, że istnieje bardzo mało ciemnej materii, czyli surowca do powstawania gwiazd i galaktyk. Jak więc pojawiły się niezwykle jasne i masywne kwazary?

„Nasze wyniki pokazują, że wciąż brakuje dużego elementu układanki dotyczącej wzrostu tych supermasywnych czarnych dziur” – mówi Ehlers. „Jeśli wokół niektórych kwazarów nie ma wystarczającej ilości materiału, aby mogły rosnąć w sposób ciągły, oznacza to, że musi istnieć inny sposób, w jaki mogą rosnąć, czego jeszcze nie odkryliśmy”.

Badania te były częściowo wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych.