În ultimele decenii, astronomii au putut să privească mai departe în Univers (și, de asemenea, înapoi în timp), aproape până la începuturile Universului. În acest sens, au aflat foarte multe despre unele dintre cele mai vechi galaxii din Univers și despre evoluția lor ulterioară. Cu toate acestea, mai există unele lucruri care sunt încă în afara limitelor, cum ar fi atunci când au apărut pentru prima dată galaxii cu găuri negre supermasive (SMBH) și jeturi masive.
Conform studiilor recente de la Școala Internațională pentru Studii Avansate (SISSA) și o echipă de astronomi din Japonia și Taiwan oferă informații noi despre modul în care găurile negre super-masive au început să se formeze la doar 800 de milioane de ani după Big Bang, și jeturile relativiste sub 2 miliarde de ani după. Aceste rezultate fac parte dintr-un caz în creștere care arată modul în care obiectele masive din Universul nostru s-au format mai devreme decât am crezut.
Astronomii știu despre SMBH-uri de peste o jumătate de secol. Cu timpul, au ajuns să realizeze că cele mai multe galaxii masive (inclusiv Calea Lactee) le au în miezul lor. Rolul pe care îl joacă în evoluția galaxiilor a fost și el obiect de studiu, astronomii moderni ajungând la concluzia că acestea sunt direct legate de rata formării stelelor în galaxii.
În mod similar, astronomii au descoperit că SMBH-urile au discuri de acreție strânse în jurul lor, unde gazul și praful sunt accelerate pentru a se apropia de viteza luminii. Acest lucru face ca centrul unor galaxii să devină atât de strălucitor - ceea ce sunt cunoscute sub numele de nuclee galactici activi (AGNs) - încât acestea outshine stelele în discurile lor. În unele cazuri, aceste discuri de acumulare duc, de asemenea, la jeturi de material fierbinte care pot fi văzute de la miliarde de ani-lumină distanță.
Conform modelelor convenționale, galaxiile nu au avut suficient timp pentru a dezvolta găuri negre centrale atunci când Universul avea mai puțin de un miliard de ani (aproximativ 13 miliarde de ani în urmă). Cu toate acestea, observații recente au arătat că găurile negre se formau deja în centrul galaxiilor la acea vreme. În acest sens, o echipă de oameni de știință din SISSA a propus un nou model care să ofere o posibilă explicație.
Pentru studiul lor, care a fost condus de Lumen Boco - un doctorat. student de la Institutul de Fizică Fundamentală a Universului (IFPU) - echipa a început cu faptul binecunoscut că SMBHs cresc în regiunile centrale ale galaxiilor timpurii. Aceste obiecte, progenitorii galaxiilor eliptice astăzi, aveau o concentrație foarte mare de gaz și o rată extrem de intensă de formare a stelelor noi.
Primele generații de stele din aceste galaxii au avut o durată scurtă de viață și au evoluat rapid în găuri negre care erau relativ mici, dar semnificative ca număr. Gazul dens care i-a înconjurat a dus la o frecare dinamică semnificativă și i-a determinat să migreze rapid spre centrul galaxiei. Aici s-au contopit pentru a crea semințele unor găuri negre supermasive - care au crescut încet în timp.
După cum a explicat echipa de cercetare în recentul comunicat de presă SISS:
„Conform teoriilor clasice, o gaură neagră supermasivă crește în centrul unei galaxii care captează materia înconjurătoare, în principal gazul,„ crește-o ”pe ea însăși și în cele din urmă o devorează într-un ritm care este proporțional cu masa sa. Din acest motiv, în fazele inițiale ale dezvoltării sale, când masa găurii negre este mică, creșterea este foarte lentă. În măsura în care, conform calculelor, pentru a ajunge la masa observată, de miliarde de ori mai mare decât cea a Soarelui, ar fi necesar un timp foarte lung, chiar mai mare decât vârsta tânărului Univers. "
Cu toate acestea, modelul matematic original pe care l-au dezvoltat a arătat că procesul de formare a găurilor negre centrale ar putea fi foarte rapid în fazele sale inițiale. Acest lucru nu numai că oferă o explicație pentru existența semințelor SMBH în Universul timpuriu, ci și împacă momentul creșterii lor cu vârsta cunoscută a Universului.
Pe scurt, studiul lor a arătat că procesul de migrare și fuzionarea găurilor negre timpurii poate duce la crearea unei semințe SMBH de 10.000 până la 100.000 mase solare în doar 50-100 milioane de ani. După cum a explicat echipa:
„[T] creșterea găurii negre centrale în funcție de accelerația directă menționată mai sus, prevăzută de teoria standardelor, va deveni foarte rapidă, deoarece cantitatea de gaz pe care va reuși să o atragă și să o absoarbă va deveni imensă și va predomina pe procesul pe care ni-l propunem. Cu toate acestea, tocmai faptul de a porni de la o sămânță atât de mare, așa cum este prevăzută de mecanismul nostru, grăbește creșterea globală a găurii negre supermase și permite formarea acesteia, tot în Universul Tânăr. Pe scurt, în lumina acestei teorii, putem afirma că la 800 de milioane de ani după Big Bang, găurile negre supermasive ar putea deja să populeze Cosmosul. ”
Pe lângă propunerea unui model de lucru pentru semințele SMBH observate, echipa a sugerat și o metodă de testare a acesteia. Pe de o parte, există undele gravitaționale pe care le-ar provoca aceste fuziuni, care ar putea fi identificate folosind detectoare de unde gravitaționale precum Advanced LIGO / Virgo și caracterizate de viitorul telescop Einstein.
În plus, fazele ulterioare de dezvoltare a SMBH-urilor sunt ceva ce ar putea fi investigat de misiuni precum Antena Spațială cu Interferometru Laser ESA (LISA), care se preconizează să se lanseze până în jurul anului 2034. Într-o linie similară, o altă echipă de astronomi a folosit recent Atacama Array de mare milimetru / submillimetru (ALMA) pentru a aborda un alt mister despre galaxii, motiv pentru care unii au jeturi, iar alții nu.
Aceste fluxuri de materie ionizată cu mișcare rapidă, care circulă cu viteze relativiste (o fracție a vitezei luminii), au fost observate emanând din centrul unor galaxii. Aceste jeturi au fost asociate cu rata galaxiei de formare a stelelor din cauza modului în care expulzează materia care altfel s-ar prăbuși pentru a forma stele noi. Cu alte cuvinte, aceste jeturi joacă un rol în evoluția galaxiilor, la fel ca SMBH-urile.
Din acest motiv, astronomii au căutat să afle mai multe despre cum au interacționat de-a lungul timpului jeturile de găuri negre și norii gazoși. Din păcate, a fost dificil să observăm aceste tipuri de interacțiuni în timpul Universului timpuriu. Folosind Array-ul de mare milimetru / submillimetru Atacama (ALMA), o echipă de astronomi a reușit să obțină prima imagine rezolvată a norilor gazoși perturbați care provin dintr-un cvasar foarte îndepărtat.
Studiul care descrie descoperirile lor, condus de prof. Kaiki Taro Inoue de la Universitatea Kindai, a apărut recent în Scrisori de jurnal astrofizic. După cum au explicat Inoue și colegii săi, datele ALMA au scos la iveală jeturi bipolare tinere provenind din MG J0414 + 0534, un quasar situat la aproximativ 11 miliarde de ani-lumină de pe Pământ. Aceste descoperiri arată că galaxiile cu SMBH-uri și jeturi au existat atunci când Big Bang-ul avea mai puțin de 3 miliarde de ani.
Pe lângă ALMA, echipa s-a bazat pe o tehnică cunoscută sub denumirea de lentile gravitaționale, în care gravitația unei galaxii intervenitoare mărește lumina provenită de la un obiect îndepărtat. Datorită acestui „telescop cosmic” și rezoluției înalte de la ALMA, echipa a putut observa norii gazoși perturbați din jurul MG J0414 + 0534 și a determina că acestea au fost cauzate de jeturi tinere provenite dintr-un SMBH din centrul galaxiei.
După cum a explicat Kouichiro Nakanishi, profesor asociat de proiect la Observatorul Astronomic Național al Japoniei / SOKENDAI, într-un comunicat de presă ALMA:
„Combinând acest telescop cosmic și observațiile de înaltă rezoluție ale ALMA, am obținut o viziune extrem de ascuțită, adică de 9000 de ori mai bună decât vederea umană. Cu această rezoluție extrem de ridicată, am reușit să obținem distribuția și mișcarea norilor gazoși în jurul jeturilor evacuate dintr-o gaură neagră supermasivă. "
Aceste observații au arătat, de asemenea, că gazul a fost afectat acolo unde a urmat direcția jeturilor, făcând ca particulele să se miște violent și să devină accelerate până la viteze de până la 600 km / s (370 mps). Ba mai mult, acești nori gazoși au avut impact și jeturile în sine au fost mult mai mici decât dimensiunea unei galaxii tipice la această vârstă.
Din aceasta, echipa a concluzionat că au asistat la o fază foarte timpurie a evoluției jetului în galaxia MG J0414 + 0534. Dacă este adevărat, aceste observații au permis echipei să asiste la un proces cheie evolutiv în galaxii din timpul Universului timpuriu. După cum a rezumat Inoue:
„MG J0414 + 0534 este un exemplu excelent datorită tinereții jeturilor. Am găsit dovezi despre o interacțiune semnificativă între jeturi și nori gazoși chiar și în faza evolutivă timpurie a jeturilor. Cred că descoperirea noastră va deschide calea către o mai bună înțelegere a procesului evolutiv al galaxiilor din Universul timpuriu. ”
Împreună, aceste studii demonstrează că două dintre cele mai puternice fenomene astronomice din Univers au apărut mai devreme decât se aștepta. Această descoperire oferă, de asemenea, astronomilor posibilitatea de a explora cum au evoluat aceste fenomene în timp și rolul pe care l-au jucat în evoluția Universului.
