A fekete lyukak és kvazárok kevesebb mint egymilliárd évvel az Ősrobbanás után keletkeztek

Úgy tűnik, szupermasszív fekete lyukak léteznek minden galaxis közepén, a világegyetem első galaxisaihoz nyúlnak vissza. Fogalmunk sincs, hogyan kerültek oda. Nem szabadna lehetséges, hogy szupernóva-maradványokból olyan gyorsan nőjenek hatalmas méretűvé, mint ők. Nem ismerünk más mechanizmust, amely elég nagyot alkothatna ahhoz, hogy ne legyen szükség exponenciális növekedésre.

A szupermasszív fekete lyukak látszólagos lehetetlensége a korai univerzumban valóban kisebb probléma volt; A James Webb Űrteleszkóp rontott a helyzeten azzal, hogy korábbi példákat talált szupermasszív fekete lyukakat tartalmazó galaxisokra. A legújabb példában a kutatók Webb segítségével jellemezték a szupermasszív fekete lyuk által működtetett kvazárt, mivel az körülbelül 750 millió évvel az Ősrobbanás után létezett. És megdöbbentően normálisnak tűnik.

Visszatekintés az időben

A kvazárok az univerzum legfényesebb objektumai, amelyeket szupermasszív fekete lyukak táplálnak. Az őket körülvevő galaxis elegendő anyaggal látja el őket ahhoz, hogy fényes akkréciós korongokat és erős sugárokat hozzanak létre, amelyek mindkettő bőséges sugárzást bocsát ki. Gyakran részben por borítja őket, amely a fekete lyuk által kibocsátott energia egy részének elnyelése következtében világít. Ezek a kvazárok akkora sugárzást bocsátanak ki, hogy végül a közeli anyagot teljesen kiszorítják a galaxisból.

Tehát ezeknek a jellemzőknek a jelenléte a korai univerzumban azt sugallja, hogy szupermasszív fekete lyukak nemcsak a korai univerzumban léteztek, hanem a galaxisokba is beépültek, ahogyan mostanában. De tanulmányaik nagyon nehezek voltak. Kezdetnek nem sok közülük azonosítottunk; Csak kilenc kvazár létezik, amelyek régebbiek, amikor a világegyetem 800 millió éves volt. Emiatt a távolság miatt nehéz azonosítani a jellemzőket, és az univerzum tágulása okozta vöröseltolódás számos elem intenzív ultraibolya sugárzását veszi át a mély infravörösbe.

A Webb távcsövet azonban kifejezetten a korai univerzum objektumainak észlelésére tervezték az infravörös hullámhosszokra való érzékenysége révén, ahol ez a sugárzás megjelenik. Tehát az új kutatás arra támaszkodik, hogy Webb a kilenc felfedezett kvazár közül az első, a J1120+0641 felé mutat.

És úgy néz ki… feltűnően normális. Vagy legalábbis nagyon hasonlítanak az univerzum történetének újabb korszakaiból származó kvazárokhoz.

Többnyire normális

A kutatók elemezték a kvazárból származó sugárzás folytonosságát, és egyértelmű jeleket találtak arra nézve, hogy az egy forró, poros anyag tömegébe ágyazódott be, ahogy az a későbbi kvazároknál is látható volt. Ez a por egy kicsit forróbb, mint néhány modern kvazár, de úgy tűnik, hogy ez az univerzum történetének korai szakaszában ezeknek az objektumoknak a közös jellemzője. Az akkréciós korong sugárzása is megjelenik az emissziós spektrumban.

Különböző módszerek a 10 körüli fekete lyuk tömegtermelési értékeinek becslésére⁹ Sokszorosa a Nap tömegének, egyértelműen a szupermasszív fekete lyuk tartományába helyezve. A sugárzás egy részének enyhe kék eltolódása alapján arra is bizonyíték van, hogy a kvazár körülbelül 350 kilométer/s sebességgel fújja el az anyagot.

Van néhány furcsaság. Az első az, hogy az anyag úgy tűnik, mintegy 300 kilométer/s sebességgel zuhan befelé. Ezt az okozhatja, hogy az anyag elfordul tőlünk az akkréciós korongban. De ha igen, akkor a lemez másik oldalán felénk forgó anyagnak kell megfelelnie. Ezt többször is megfigyelték nagyon korai kvazároknál, de a kutatók elismerik, hogy „ennek a hatásnak a fizikai eredete ismeretlen”.

Az egyik megoldást javasolják magyarázatként, hogy az egész kvazár mozog, és egy másik szupermasszív fekete lyukkal való korábbi egyesülés következtében kizökkentette a galaktikus középponti helyzetéből.

Egy másik furcsa dolog az, hogy az erősen ionizált szén is nagyon gyorsan áramlik, kétszer olyan gyorsan mozog, mint később a kvazárokban. Láttunk már ilyet, de erre sincs magyarázat.

Hogy történt ez?

A furcsaságok ellenére ez az objektum nagyon hasonlít a közelmúltbeli kvazárokra: „Megfigyeléseink azt mutatják, hogy a poros tórusz és a csillag összetett szerkezetei [accretion disk] Körülbelül bizonyíthat a [supermassive black hole] – Kevesebb, mint 760 millió az Ősrobbanás után.

Ez ismét egy kis probléma, mert azt sugallja, hogy az univerzum történetének nagyon korai szakaszában egy szupermasszív fekete lyuk található a befogadó galaxisban. Az itt bemutatott méretek elérése érdekében a fekete lyukak az úgynevezett Eddington-határhoz ütköznek, ami az az anyagmennyiség, amelyet be tudnak húzni, mielőtt a keletkező sugárzás kiszorítaná a közeli anyagot, megfojtva a fekete lyuk táplálékkészletét.

Ez két lehetőséget javasol. Az első az, hogy ezek az objektumok történelmük nagy részében jóval az Eddington-határon túli anyagot szívtak fel, amit nem figyeltünk meg, és ez biztosan nem igaz erre a kvazárra. A másik lehetőség az, hogy hatalmasat kezdtek (kb. 10 évesen⁴ a Nap tömegének szorzata) és ésszerűbb ütemben táplálkozott tovább. De nem igazán tudjuk, hogyan jöhet létre valami ekkora.

Ezért a korai univerzum kissé zavaros hely marad.

Természeti Csillagászat, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (A digitális azonosítókról).