Korzystając z potężnego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), astronomowie odkryli niezwykłą supermasywną czarną dziurę z okresu wczesnego Wszechświata znanego jako „kosmiczne południe”, około 4 miliardy lat po Wielkim Wybuchu. Odkrycie rzuca nowe światło na to, jak te olbrzymy, których masa jest miliony, a nawet miliardy razy większa od masy naszego Słońca, rosną do tak ogromnych rozmiarów.
Tajemnica „małych czerwonych kropek”
JWST odkrywa nową klasę intrygujących obiektów we wczesnym Wszechświecie zwanych „małymi czerwonymi kropkami”. Są to małe, jasne punkty świetlne, które dopiero niedawno stały się wykrywalne dzięki zaawansowanym możliwościom podczerwieni JWST. Choć ich nazwa sugeruje niewielkie rozmiary, jedno z najnowszych znalezisk, nazwane „PTAK” (Wielka Czerwona Kropka), wcale nie jest małe – jego masa równa się 100 milionom słońc.
Jak świecą czarne dziury
Same czarne dziury nie emitują światła; ich intensywna grawitacja zatrzymuje wszystko, co wpadnie do środka. Kiedy jednak otoczone są dużą ilością materii i aktywnie ją absorbują, tworzą niezwykle jasne obiekty zwane kwazarami. Światło tych kwazarów może pokonywać ogromne odległości, a światło BIRD docierało do Ziemi ponad 10 miliardów lat.
Wykrywanie PTAKÓW
BIRD odkryto w tym samym obszarze nieba, co znany wcześniej kwazar J1030+0524 (J1030), supermasywna czarna dziura pochłaniająca już materię znajdująca się w odległości około 12,5 miliarda lat świetlnych. Zespół badawczy z Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF) początkowo przeanalizował obrazy i widma z instrumentu kamery bliskiej podczerwieni (NIRCam) należącej do JWST, znajdując niezwykły punkt światła podczerwonego, którego nie wykryto we wcześniejszych obserwacjach rentgenowskich i radiowych.
„Zaczynając od skalibrowanych obrazów, opracowano katalog źródeł występujących w terenie” – wyjaśniła Federica Loiacono, kierownik zespołu i badacz w INAF. „Tam właśnie zauważyliśmy PTAKA: jasny, punktowy obiekt, który jednak nie był gwiazdą i nie występował w istniejących katalogach rentgenowskich i radiowych”.
Analiza widma: odkrywanie tajemnic
Analiza widma BIRD, zawierająca szczegółowy podział długości fal światła, dostarczyła ważnych informacji. Różne pierwiastki absorbują i emitują światło o określonych częstotliwościach, pozostawiając unikalne „odciski palców” w widmie. Umożliwiło to naukowcom wykrycie obecności wodoru i helu w środowisku BIRD.
„Znaleźliśmy wyraźne sygnały wodoru – w szczególności linię zwaną gamma Paschena, jasną sygnaturę wskazującą na obecność zjonizowanego wodoru – i helu, również widocznego podczas absorpcji” – powiedział Loiacono. Ta analiza widmowa pozwoliła także oszacować odległość i masę PTAKA.
Co sprawia, że BIRD jest wyjątkowy?
Małe czerwone kropki na ogół pozostają tajemnicą dla kosmosu. Istnieje wiele teorii, łącznie z możliwością, że reprezentują one nowy typ obiektów niebieskich zwanych „czarnymi gwiazdami”. Jednakże brak silnej emisji promieniowania rentgenowskiego z tych obiektów pozostaje tajemnicą, ponieważ nienasycone czarne dziury powinny wytwarzać intensywną emisję promieniowania rentgenowskiego. Możliwym wyjaśnieniem jest to, że obiekty te są nadal otoczone grubymi powłokami gazu i pyłu, które pochłaniają promienie rentgenowskie, przepuszczając jednocześnie światło podczerwone.
BIRD jest szczególnie godny uwagi, ponieważ jego właściwości są bardzo zbliżone do zaledwie dwóch innych znanych małych czerwonych kropek o podobnych charakterystykach widmowych. Sugeruje to, że należą one do tej samej rodziny obiektów.
Ponowny przegląd ewolucji czarnych dziur
Odkrycie BIRD i jego rodziny może wymagać ponownej oceny sposobu wzrostu i ewolucji supermasywnych czarnych dziur. Poprzednie obliczenia sugerowały, że obiekty te powinny stać się rzadsze o 11 miliardów lat. Jednak według obliczeń zespołu podczas „kosmicznego południa” występuje zaskakująca obfitość małych czerwonych kropek, co obala to założenie.
„Wyzwanie polega obecnie na rozszerzeniu badania na większą liczbę pobliskich JPL, które możemy zbadać bardziej szczegółowo niż odległe, aby uzyskać pełniejszy obraz” – podsumował Loiacono. „JWST otworzył nową granicę w astrofizyce pozagalaktycznej, odkrywając obiekty, o których istnieniu nie mieliśmy pojęcia, a jesteśmy dopiero na początku tej przygody”.
Odkrycie BIRD podkreśla moc Teleskopu Jamesa Webba w ujawnianiu wcześniej niewidzianych szczegółów na temat wczesnego Wszechświata i jego mieszkańców, co skłania do głębszego zrozumienia powstawania i ewolucji masywnych czarnych dziur.
