černé díry

Kvasar je extrémně jasné jádro galaxie, které ve svém středu hostí aktivní supermasivní černou díru. Když černá díra nasává okolní plyn a prach, vyvrhne obrovské množství energie, díky čemuž jsou kvasary jedny z nejjasnějších objektů ve vesmíru.

Zdá se, že nově objevené kvasary mají málo vesmírných sousedů. Což vyvolává otázky o tom, jak se zrodily.

Kvasary byly pozorované již několik set milionů let po Velkém třesku a je záhadou, jak mohly tyto objekty v tak krátkém kosmickém čase vyrůst v tak jasné a masivní.

Vědci navrhují, že nejstarší kvasary vyrostly z příliš hustých oblastí prvotní hmoty, což by také vytvořilo mnoho menších galaxií v prostředí kvasarů. V nové studii vedené MIT však astronomové pozorovali některé starověké kvasary, které se zdají být v raném vesmíru překvapivě osamocené. 

Astronomové použili vesmírný dalekohled NASA James Webb Space Telescope (JWST), aby se podívali zpět více než 13 miliard let v čase. Studovali kosmické okolí pěti známých starověkých kvasarů.

Ve svých sousedstvích, neboli „kvasarových polích“, našli překvapivou rozmanitost. Zatímco některé kvasary sídlí ve velmi přeplněných polích s více než 50 sousedními galaxiemi, jak předpovídají všechny modely, zdá se, že zbývající kvasary se pohybují v dutinách a v jejich blízkosti je pouze několik zbloudilých galaxií.

Foto: Christina Eilers/tým EIGER/Tiskový zdroj EurekAlert

Tyto osamělé kvasary jsou pro fyziky výzvou, aby pochopili, jak mohly svítící objekty vzniknout ve vesmíru tak brzy. A navíc bez významného zdroje okolní hmoty, která by podporovala růst jejich černých děr.

Existuje možnost, že tyto kvasary nemusí být tak osamělé, jak se zdají. Místo toho jsou obklopené galaxiemi, které jsou silně zahalené prachem a proto jsou skryté. Vědci doufají, že vyladí svá pozorování tak, aby se pokusili vidět skrz jakýkoli takový kosmický prach, aby pochopili, jak kvasary v raném vesmíru narostly do takové velikosti a tak rychle. 

Galaktičtí sousedé

Pět nově pozorovaných kvasarů patří mezi nejstarší dosud pozorované kvasary. Předpokládá se, že objekty staré více než 13 miliard let vznikly mezi 600 až 700 miliony lety po velkém třesku.

Supermasivní černé díry pohánějící kvasary jsou miliardkrát hmotnější než Slunce a více než bilionkrát jasnější. Díky jejich extrémní svítivosti je světlo z každého kvasaru schopné cestovat přes věk vesmíru. Dostatečně daleko na to, aby dnes dosáhlo vysoce citlivých detektorů JWST. 

Tým analyzoval snímky pěti starověkých kvasarů pořízených JWST mezi srpnem 2022 a červnem 2023. Pozorování každého kvasaru se skládala z několika „mozaikových“ snímků, nebo částečných pohledů na pole kvasaru, které tým efektivně spojil, aby vytvořil úplný obrázek okolního sousedství každého kvasaru. 

Dalekohled také provedl měření světla ve více vlnových délkách napříč každým kvasarovým polem, které tým následně zpracoval, aby určil, zda daný objekt v poli byl světlem ze sousední galaxie a jak daleko je galaxie od mnohem svítivějšího centrálního kvasaru. 

„Zjistili jsme, že jediný rozdíl mezi těmito pěti kvasary je v tom, že jejich prostředí vypadá tak odlišně,“ říká Eilers. „Například jeden kvasar má kolem sebe téměř 50 galaxií, zatímco jiný má jen dvě. A oba kvasary jsou ve stejné velikosti, objemu, jasu a času vesmíru. To bylo opravdu překvapivé.“

Růstové spurty

Rozdíl v kvasarových polích představuje zlom ve standardním obrazu růstu černých děr a formování galaxií. Podle toho, jak fyzici nejlépe chápali, jak se objevily první objekty ve vesmíru, měla určovat kurz vesmírná síť temné hmoty. Temná hmota je dosud neznámá forma hmoty, která nemá žádné jiné interakce se svým okolím kromě gravitace. 

Předpokládá se, že krátce po Velkém třesku si raný vesmír vytvořil vlákna temné hmoty, která fungovala jako druh gravitační cesty, přitahující plyn a prach podél svých úponků. V příliš hustých oblastech této sítě by se nahromadila hmota a vytvořila masivnější objekty. Nejjasnější a nejhmotnější rané objekty, jako jsou kvasary, by se vytvořily v oblastech s nejvyšší hustotou sítě, což by také vychrlilo mnohem více menších galaxií. 

„Kosmická pavučina temné hmoty je solidní předpověď našeho kosmologického modelu vesmíru a lze ji podrobně popsat pomocí numerických simulací,“ říká spoluautor Elia Pizzati, postgraduální student z univerzity v Leidenu. „Porovnáním našich pozorování s těmito simulacemi můžeme určit, kde se nacházejí kvasary v kosmické síti.“ 

Vědci odhadují, že kvasary by musely neustále růst s velmi vysokými rychlostmi akrece, aby dosáhly extrémní hmotnosti a svítivosti v době, kdy je astronomové pozorovali. Tedy méně než 1 miliardu let po Velkém třesku. 

Hlavní otázka, na kterou se snažíme odpovědět, je, jak se tyto černé díry o hmotnosti miliardy slunečních paprsků tvoří v době, kdy je vesmír ještě opravdu, opravdu mladý.

Zjištění týmu může vyvolat více otázek než odpovědí. Zdá se, že „osamělé“ kvasary žijí v relativně prázdných oblastech vesmíru. Pokud jsou kosmologické modely fyziků správné, tyto neplodné oblasti znamenají velmi málo temné hmoty, nebo výchozího materiálu pro vytváření hvězd a galaxií. Jak tedy vznikly extrémně jasné a masivní kvasary? 

„Naše výsledky ukazují, že stále chybí významný kus skládačky toho, jak tyto supermasivní černé díry rostou,“ říká Eilers. „Pokud v okolí není dostatek materiálu na to, aby některé kvasary mohly nepřetržitě růst, znamená to, že musí existovat nějaký jiný způsob na který musíme ještě přijít.“

Zdroje: EurekAlert, Astrophysical Journal