I løpet av de siste tiårene har astronomer kunnet se lenger inn i universet (og også tilbake i tid), nesten helt til begynnelsen av universet. På den måten har de lært mye om noen av de tidligste galaksene i universet og deres påfølgende utvikling. Imidlertid er det fortsatt noen ting som fremdeles er utenfor grensene, for eksempel når galakser med supermassive sorte hull (SMBH) og massive jetfly først dukket opp.
Ifølge nylige studier fra International School for Advanced Studies (SISSA) og et team av astronomer fra Japan og Taiwan gir ny innsikt i hvordan supermassive sorte hull begynte å danne seg bare 800 millioner år etter Big Bang, og relativistiske jetfly mindre enn 2 milliarder år etter. Disse resultatene er del av en voksende sak som viser hvordan massive gjenstander i universet vårt dannet seg raskere enn vi trodde.
Astronomer har kjent til SMBH-er i over et halvt århundre. Med tiden innså de at de mest massive galakser (inkludert Melkeveien) har dem ved kjernene. Rollen de spiller i utviklingen av galakser har også vært gjenstand for studie, med moderne astronomer som konkluderte med at de er direkte relatert til hastigheten på stjernedannelse i galakser.
Tilsvarende har astronomer funnet ut at SMBH-er har tette skiltingsskiver rundt seg der gass og støv akselereres for å nærme lysets hastighet. Dette fører til at sentrum av noen galakser blir så lyse - det som er kjent som aktive galaktiske kjerner (AGN) - at de overgår stjernene på diskettene. I noen tilfeller fører disse akkresjonsskivene også til jetfly av varmt materiale som kan sees fra milliarder av lysår unna.
I følge konvensjonelle modeller hadde galakser ikke nok tid til å utvikle sentrale sorte hull da universet var mindre enn en milliard år gammelt (for ca. 13 milliarder år siden). Nyere observasjoner har imidlertid vist at det allerede dannet seg sorte hull i sentrum av galakser på det tidspunktet. For å adressere dette, foreslo et team av forskere fra SISSA en ny modell som gir en mulig forklaring.
For deres studie, som ble ledet av Lumen Boco - en doktorgrad. student fra Institute for Fundamental Physics of the Universe (IFPU) - teamet startet med det velkjente faktum at SMBHs vokser i de sentrale regionene i tidlige galakser. Disse gjenstandene, forfedrene til elliptiske galakser i dag, hadde en veldig høy konsentrasjon av gass og en ekstremt intens rate av ny stjernedannelse.
De første generasjonene av stjerner i disse galaksene var kortvarige og utviklet seg raskt til svarte hull som var relativt små, men betydelige i antall. Den tette gassen som omringet dem førte til betydelig dynamisk friksjon og fikk dem til å migrere raskt til sentrum av galaksen. Det var her de slo seg sammen for å lage frø av supermassive sorte hull - som sakte vokste over tid.
Som forskerteamet forklarte i nylig pressemelding fra SISS:
I følge klassiske teorier vokser et supermassivt svart hull i sentrum av en galakse som fanger opp omgivende materie, hovedsakelig gass, "vokser det" på seg selv og til slutt fortærer det i en rytme som er proporsjonal med dens masse. Av denne grunn, i de innledende faser av utviklingen, når massen av det sorte hullet er liten, er veksten veldig langsom. I den grad det, ifølge beregningene, for å nå massen som er observert, milliarder ganger solen, er det veldig lang tid, enda større enn det unge universets alder. "
Imidlertid viste den opprinnelige matematiske modellen de utviklet at formasjonsprosessen for sentrale sorte hull kunne være veldig rask i dens innledende faser. Dette gir ikke bare en forklaring på eksistensen av SMBH-frø i det tidlige universet, men forener også tidspunktet for deres vekst med den kjente tidsalderen for universet.
Kort sagt, deres studie viste at migrasjonsprosessen og sammenslåing av tidlige sorte hull kan føre til opprettelse av et SMBH-frø på 10.000 til 100.000 solmasser på bare 50-100 millioner år. Som teamet forklarte:
"[T] vil veksten av det sentrale sorte hullet i henhold til den nevnte direkte tilførsel av gass, forutsatt av standardteorien, bli veldig raskt, fordi mengden gass den vil lykkes med å tiltrekke og absorbere vil bli enorm, og dominerende på prosessen vi foreslår. Likevel, nettopp det faktum å starte fra et så stort frø som forutsatt av vår mekanisme, fremskynder den globale veksten av det supermassive sorte hullet og tillater dets dannelse, også i Young Universe. Kort sagt, i lys av denne teorien, kan vi opplyse at 800 millioner år etter Big Bang de supermassive sorte hullene allerede kunne befolke Cosmos. ”
I tillegg til å foreslå en arbeidsmodell for observerte SMBH-frø, foreslo teamet også en metode for å teste den. På den ene siden er det gravitasjonsbølgene som disse sammenslåingene ville føre til, som kan identifiseres ved hjelp av gravitasjonsbølgedetektorer som Advanced LIGO / Virgo og preget av fremtidens Einstein-teleskop.
I tillegg er de påfølgende utviklingsfasene for SMBH-er noe som kan undersøkes av oppdrag som ESAs Laserinterferometer Space Antenna (LISA), som forventes å bli lansert rundt 2034. I en lignende måte brukte et annet team av astronomer nylig Atacama Stor millimeter / submillimeter Array (ALMA) for å adressere et annet mysterium om galakser, og det er grunnen til at noen har jetfly og andre ikke.
Disse raskt bevegelige strømningene av ionisert materie, som beveger seg i relativistiske hastigheter (en brøkdel av lysets hastighet), er blitt observert fra sentrum av noen galakser. Disse jetflyene har blitt knyttet til en galakas hastighet på stjernedannelse på grunn av måten de driver ut materie som ellers ville kollapse for å danne nye stjerner. Disse jetflyene spiller med andre ord en rolle i utviklingen av galakser, omtrent som SMBH-er.
Av denne grunn har astronomer forsøkt å lære mer om hvordan svart hullstråler og gassformede skyer har samhandlet over tid. Dessverre har det vært vanskelig å observere denne typen interaksjoner i løpet av det tidlige universet. Ved hjelp av Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), klarte et team av astronomer å skaffe det første løste bildet av forstyrrede gassformede skyer fra en veldig fjern kvasar.
Studien som beskriver funnene deres, ledet av prof. Kaiki Taro Inoue fra Kindai University, dukket nylig opp i Astrofysiske journalbokstaver. Som Inoue og kollegene forklarte, avslørte ALMA-data unge bipolare jetfly som stammet fra MG J0414 + 0534, en kvasar som ligger omtrent 11 milliarder lysår fra Jorden. Disse funnene viser at galakser med SMBH og jetfly eksisterte da Big Bang var mindre enn 3 milliarder år gammel.
I tillegg til ALMA, var teamet avhengige av en teknikk kjent som gravitasjonslinsering, hvor tyngdekraften til en mellomliggende galakse forsterker lys som kommer fra et fjernt objekt. Takket være dette “kosmiske teleskopet” og ALMAs høye oppløsning, kunne teamet observere de forstyrrede gassformede skyene rundt MG J0414 + 0534 og finne ut at de var forårsaket av unge jetfly som kom ut fra en SMBH i sentrum av galaksen.
Som Kouichiro Nakanishi, en prosjektlektor ved National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI, forklarte i en pressemelding fra ALMA:
"Ved å kombinere dette kosmiske teleskopet og ALMAs høyoppløselige observasjoner, oppnådde vi usedvanlig skarpt syn, som er 9000 ganger bedre enn menneskets syn. Med denne ekstremt høye oppløsningen var vi i stand til å oppnå fordelingen og bevegelsen av gassformede skyer rundt jetfly som ble kastet ut fra et supermassivt svart hull. ”
Disse observasjonene viste også at gassen ble påvirket der den fulgte retningen til jetflyene, noe som fikk partikler til å bevege seg voldsomt og ble akselerert til hastigheter på opptil 600 km / s (370 mps). Dessuten var disse påvirkede gassformede skyene og selve jetflyene mye mindre enn størrelsen på en typisk galakse i denne alderen.
Fra dette konkluderte teamet med at de var vitne til en veldig tidlig fase av jetutviklingen i MG J0414 + 0534-galaksen. Hvis sant, tillot disse observasjonene teamet å være vitne til en viktig evolusjonsprosess i galakser under det tidlige universet. Som Inoue oppsummerte:
“MG J0414 + 0534 er et utmerket eksempel på grunn av jetflytenes ungdom. Vi fant tydelige bevis på betydelig interaksjon mellom jetfly og gassformede skyer selv i den veldig tidlige evolusjonsfasen av jetfly. Jeg tror at oppdagelsen vår vil bane vei for en bedre forståelse av den evolusjonsprosessen med galakser i det tidlige universet. ”
Sammen demonstrerer disse studiene at to av de kraftigste astronomiske fenomenene i universet dukket opp tidligere enn forventet. Denne oppdagelsen gir også astronomer muligheten til å utforske hvordan disse fenomenene utviklet seg over tid, og hvilken rolle de spilte i utviklingen av universet.
