A szupermasszív fekete lyukak eredetének feltárása

A szupermasszív fekete lyuk (SMBH; a középen lévő kis fekete pont) magába szívja a körülötte lévő anyagot, amely befelé áramolva spirálkorongszerű alakot formál. Az anyag gravitációs energiája sugárzássá alakul, és kisugárzik a korongról. Az ilyen fényes környezettel rendelkező kis és közepes méretű objektumokat kvazároknak nevezzük. Kredit: Yoshiki Matsuoka

A rendkívül nagy tömegű – a Nap tömegének több mint egymilliószorosát meghaladó – fekete lyukak, az úgynevezett szupermasszív fekete lyukak (SMBH) ma gyakran megtalálhatók az univerzumban. Eredete, valamint annak részletei, hogy mikor, hol és hogyan jelent meg a 13,8 milliárd éves kozmikus evolúció során, továbbra is rejtélyes.

Az elmúlt évtizedek kutatásai azt mutatják, hogy kicsi, rendkívül nagy tömegű galaxisok találhatók minden galaxis magjában, és tömegük mindig a befogadó galaxis tömegének ezreléke.

Ez a szoros kapcsolat azt jelzi, hogy a galaxisok és az ultramasszív galaxisok együtt fejlődtek ki. Ennélfogva a hatalmas csillagok eredetének feltárása döntő fontosságú nemcsak maguknak a hatalmas bolygóknak, hanem a megfigyelhető univerzum kulcsfontosságú alkotóelemeinek, a galaxisok kialakulásának folyamatának feltárásában is.

A probléma megoldásának kulcsa az univerzum kezdetén rejlik, hiszen az univerzum megjelenése óta eltelt az idő a nagy robbanás (azaz az univerzum kezdete) kevesebb mint egymilliárd évvel ezelőtt volt. A véges fénysebességnek köszönhetően a távoli univerzum megfigyelésével a múltba pillanthatunk. Valóban léteztek kis és közepes méretű objektumok, amikor az univerzum még csak egymilliárd éves vagy még ennél is rövidebb volt?

Példa egy éjszakai égbolt képre, amelyet a Subaru teleszkóppal készítettünk. A nagyított kép közepén lévő kis piros pont egy távoli kvazárból származó fényt ábrázol, amely akkor létezett, amikor az univerzum 800 millió éves (13 milliárd fényév) volt. Köszönetnyilvánítás: Japán Nemzeti Csillagászati ​​Obszervatórium

Lehetséges, hogy Fekete lyuk Ilyen rövid idő alatt ekkora tömeget (több mint egymillió naptömeget, és néha több milliárd naptömeget is elérni) megszerezni? Ha igen, melyek a mögöttes mechanizmusok és fizikai feltételek? A kis és közepes méretű objektumok eredetének megközelítéséhez meg kell figyelni őket, és össze kell hasonlítani tulajdonságaikat az elméleti modellekből származó előrejelzésekkel. Ehhez először meg kell határozni, hogy hol vannak az égen.

A kutatócsoport a hawaii Maunakea hegy tetején található Subaru távcsövet használta a tanulmány elvégzéséhez. A Subaru egyik legnagyobb előnye a széleskörű megfigyelési képessége, és erre a célra kifejezetten alkalmas.

Mivel az ultrafinom tárgyak nem bocsátanak ki fényt, a csapat a kvazároknak nevezett speciális osztályt kereste – kis, ultrafinom tárgyakat, fényes rojtokkal, ahol a lehulló anyag gravitációs energiát szabadít fel. Megfigyelték az égbolt széles területét, amely a telihold 5000-szeresének felel meg, és sikeresen felfedezték a korai univerzumban élő 162 kvazárt. Ezek közül a kvazárok közül 22 létezett egy olyan korszakban, amikor az univerzum 800 millió évesnél fiatalabb volt, ez a legrégebbi időszak, amikor a kvazárokat a mai napig azonosították.

A felfedezett kvazárok nagy száma lehetővé tette számukra, hogy meghatározzák a „fényességfüggvénynek” nevezett alapvető mértéket, amely a kvazárok térsűrűségét a sugárzási energia függvényében írja le. Azt találták, hogy a kvazárok nagyon gyorsan alakultak ki a korai univerzumban, miközben a fényességfüggvény általános alakja (az amplitúdó kivételével) az idő múlásával változatlan maradt.

A fényerő függvény a térsűrűséget (a függőleges tengelyen Φ) a sugárzási energia függvényében írja le (a vízszintes tengelyen M1450). Ábrázoljuk azon kvazárok fényességfüggvényeit, amelyeket akkor figyeltek meg, amikor az Univerzum 0,8 (piros pontok), 0,9 (zöld gyémántok), 1,2 (kék négyzetek) és 1,5 (fekete háromszögek) milliárd éves volt. A görbék a legmegfelelőbb funkcionális formákat képviselik. A kvazárok térsűrűsége az idő múlásával meredeken emelkedett, míg a fényességfüggvény alakja szinte változatlan maradt. Köszönetnyilvánítás: The Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

A fényességfüggvénynek ez az eltérő viselkedése erős korlátokat szab az elméleti modelleknek, amelyek végül képesek reprodukálni az összes megfigyelhető elemet, és leírják a szupermasszív fekete lyukak eredetét.

Másrészt ismert volt, hogy az univerzum korai szakaszában nagy átalakuláson ment keresztül, amelyet „kozmikus reionizációnak” neveznek. Korábbi megfigyelések azt mutatják, hogy ebben az esetben az egész intergalaktikus tér ionizálódott. Az ionizációs energia forrása még mindig vita tárgya, a kvazárok sugárzása ígéretes jelölt.

A fenti fényességfüggvény beépítésével azt találjuk, hogy a kvazárok 10-et bocsátanak ki²⁸ Foton/másodperc térfogategységben 1 Fényév Az egyik oldalon a korai univerzumban. Ez az akkori intergalaktikus tér ionizált állapotának fenntartásához szükséges fotonok kevesebb mint 1%-át jelenti, és így azt jelzi, hogy a kvazárok csak csekély mértékben járultak hozzá a kozmikus reionizációhoz. Sürgősen szükség van más energiaforrásokra is, amelyek más friss megfigyelések szerint a forró, hatalmas csillagok beépített sugárzása lehet a galaxisok kialakulásában.

Hivatkozás: „Quasar luminosity function at z = 7”, Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, Jun D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang és Takuji Yamashita, 2023. június 6. a Astrophysical Journal Letters.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

A tanulmányt a Japan Society for the Promotion of Science, a Mitsubishi Alapítvány és a Kínai Nemzeti Természettudományi Alapítvány finanszírozta.