Under de senaste decennierna har astronomer kunnat titta längre in i universum (och även tillbaka i tiden), nästan till början av universum. På så sätt har de lärt sig mycket om några av de tidigaste galaxerna i universum och deras efterföljande utveckling. Det finns dock fortfarande några saker som fortfarande är utanför gränserna, som när galaxer med supermassiva svarta hål (SMBH) och massiva jetplan först dök upp.
Enligt nyligen genomförda studier från International School for Advanced Studies (SISSA) och ett team av astronomer från Japan och Taiwan ger ny inblick i hur supermassiva svarta hål började bildas bara 800 miljoner år efter Big Bang och relativistiska jetflygplan mindre än 2 miljarder år. efter. Dessa resultat är en del av ett växande fall som visar hur massiva föremål i vårt universum bildades förr än vi trodde.
Astronomer har känt till SMBH i över ett halvt sekel. Med tiden insåg de att de flesta massiva galaxer (inklusive Vintergatan) har dem vid sina kärnor. Den roll de spelar i utvecklingen av galaxer har också varit föremål för studien, där moderna astronomer drog slutsatsen att de är direkt relaterade till hastigheten på stjärnbildningen i galaxer.
På liknande sätt har astronomer funnit att SMBH: er har snäva åtskillnadsskivor runt sig där gas och damm accelereras för att nära ljusets hastighet. Detta får centrum för vissa galaxer att bli så ljusa - vad som kallas aktiva galaktiska kärnor (AGN) - att de överträffar stjärnorna i deras skivor. I vissa fall leder dessa ackretionsskivor också till strålar av hett material som kan ses från miljarder ljusår bort.
Enligt konventionella modeller hade galaxer inte tillräckligt med tid att utveckla centrala svarta hål när universum var mindre än en miljard år gammalt (cirka 13 miljarder år sedan). Emellertid har nyligen iakttagelser visat att svarta hål redan bildades i centrum av galaxerna vid tiden. Ett team av forskare från SISSA föreslog en ny modell som erbjuder en möjlig förklaring.
För deras studie, som leds av Lumen Boco - en doktorsexamen. student från Institute for Fundamental Physics of the Universe (IFPU) - teamet började med det välkända faktumet att SMBH växer i de centrala regionerna i tidiga galaxer. Dessa föremål, förfäderna till elliptiska galaxer idag, hade en mycket hög koncentration av gas och en extremt intensiv hastighet av ny stjärnbildning.
De första generationerna av stjärnor i dessa galaxer var kortlivade och utvecklades snabbt till svarta hål som var relativt små men betydande i antal. Den täta gasen som omgav dem ledde till betydande dynamisk friktion och fick dem att migrera snabbt till galaxens centrum. Det är här de slogs samman för att skapa frön av supermassiva svarta hål - som långsamt växte med tiden.
Som forskargruppen förklarade i SISS: s pressmeddelande:
"Enligt klassiska teorier växer ett supermassivt svart hål i mitten av en galax som fångar det omgivande materialet, främst gas," odlar det "på sig själv och slutligen äter det i en rytm som är proportionell mot dess massa. Av detta skäl är tillväxten mycket långsam under de initiala faserna av dess utveckling, när massan på det svarta hålet är liten. I den utsträckning att enligt beräkningarna, för att nå den observerade massan, miljarder gånger så mycket som solen, skulle det krävas mycket lång tid, ännu större än det unga universums ålder. ”
Men den ursprungliga matematiska modellen de utvecklade visade att formationsprocessen för centrala svarta hål kunde vara mycket snabb i dess initiala faser. Detta ger inte bara en förklaring till förekomsten av SMBH-frön i det tidiga universum utan förenar också tidpunkten för deras tillväxt med den kända ålder av universum.
I korthet visade deras studie att migrationsprocessen och sammanslagningar av tidiga svarta hål kan leda till skapandet av ett SMBH-utsäde på 10.000 till 100.000 solmassor på bara 50-100 miljoner år. Som teamet förklarade:
”[T] tillväxten av det centrala svarta hålet enligt den nämnda direkta gasutvinning, som förutses av standardteorin, kommer att bli mycket snabb, eftersom den mängd gas som den lyckas locka och absorbera blir enorm och dominerande på processen vi föreslår. Men det faktum att vi startar från ett så stort frö som förutses av vår mekanism påskyndar den globala tillväxten av det supermassiva svarta hålet och tillåter dess bildning, även i Unga universum. Kort sagt, mot bakgrund av denna teori, kan vi säga att 800 miljoner år efter Big Bang de supermassiva svarta hålen redan kunde fylla Cosmos. ”
Förutom att föreslå en arbetsmodell för observerade SMBH-frön föreslog teamet också en metod för att testa den. Å ena sidan finns det gravitationsvågorna som dessa sammanslagningar skulle orsaka, som kan identifieras med hjälp av gravitationsvågdetektorer som Advanced LIGO / Virgo och kännetecknas av det framtida Einstein-teleskopet.
Dessutom är de efterföljande utvecklingsfaserna för SMBH: er något som kan undersökas av uppdrag som ESA: s Laserinterferometer Space Antenna (LISA), som förväntas lanseras cirka 2034. På liknande sätt använde ett annat team av astronomer nyligen Atacama Stor millimeter / submillimeter Array (ALMA) för att ta itu med ett annat mysterium om galaxer, varför vissa har jetplan och andra inte.
Dessa snabbt rörliga strömmar av joniserat material, som rör sig med relativistiska hastigheter (en bråkdel av ljusets hastighet), har observerats komma från centrum av vissa galaxer. Dessa jetplan har kopplats till en galaxs stjärnbildningsfrekvens på grund av hur de förvisar materia som annars skulle kollapsa för att bilda nya stjärnor. Med andra ord, dessa jetplan spelar en roll i utvecklingen av galaxer, ungefär som SMBH.
Av denna anledning har astronomer försökt lära sig mer om hur svarthålstrålar och gasformiga moln har samverkat över tid. Tyvärr har det varit svårt att observera sådana interaktioner under det tidiga universum. Med hjälp av Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) lyckades ett team av astronomer få den första upplösta bilden av störda gasformiga moln från en mycket avlägsen kvasar.
Studien som beskriver deras resultat, ledd av prof. Kaiki Taro Inoue från Kindai University, dök nyligen upp i Astrofysiska tidskriftsbrev. Som Inoue och hans kollegor förklarade avslöjade ALMA-uppgifterna unga bipolära strålar som härstammar från MG J0414 + 0534, en kvasar som ligger ungefär 11 miljarder ljusår från jorden. Dessa fynd visar att galaxer med SMBHs och jetflygare fanns när Big Bang var mindre än 3 miljarder år gammal.
Förutom ALMA, förlitade teamet sig på en teknik känd som gravitationslinsning, där tyngden i en mellanliggande galax förstorar ljus som kommer från ett avlägset objekt. Tack vare detta ”kosmiska teleskop” och ALMAs höga upplösning kunde teamet observera de störda gasformiga molnen runt MG J0414 + 0534 och fastställa att de orsakades av unga jetflyg från en SMBH i centrum av galaxen.
Som Kouichiro Nakanishi, en lektor vid projektet vid National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI, förklarade i ett pressmeddelande från ALMA:
”Genom att kombinera detta kosmiska teleskop och ALMA: s högupplösta observationer fick vi en exceptionellt skarp syn, det är 9 000 gånger bättre än människors syn. Med denna extremt höga upplösning kunde vi få fördelningen och rörelsen av gasformiga moln runt jets som kastas ut från ett supermassivt svart hål. ”
Dessa observationer visade också att gasen påverkades där den följde strålens riktning, vilket fick partiklar att röra sig våldsamt och accelererade till hastigheter upp till 600 km / s (370 mps). Dessutom var dessa påverkade gasformiga moln och själva jetflygen mycket mindre än storleken på en typisk galax i denna ålder.
Från detta drog teamet slutsatsen att de bevittnade en mycket tidig fas av jetutvecklingen i MG J0414 + 0534-galaxen. Om det är sant, tillät dessa observationer teamet att bevittna en viktig evolutionär process i galaxer under det tidiga universum. Som Inoue sammanfattade:
“MG J0414 + 0534 är ett utmärkt exempel på grund av jets ungdomar. Vi hittade tydliga bevis på betydande interaktion mellan jetstrålar och gasformiga moln även i den mycket tidiga utvecklingsfasen av jetflygplan. Jag tror att vår upptäckt kommer att bana väg för en bättre förståelse av galaxernas evolutionära process i det tidiga universum. ”
Tillsammans visar dessa studier att två av de mest kraftfulla astronomiska fenomenen i universum uppstod tidigare än förväntat. Denna upptäckt ger också astronomer möjlighet att utforska hur dessa fenomen utvecklats över tiden och den roll de spelade i universums utveckling.
