Dzisiejsze odkrycie teleskopu Jamesa Webba (JWST) NASA ujawniło świecące, bardzo czerwone obiekty we wczesnym wszechświecie, które podważają konwencjonalne myślenie o powstawaniu i ewolucji galaktyk i ich supermasywnych czarnych dziur.

Międzynarodowy zespół kierowany przez badaczy z Penn State, korzystający z instrumentu NIRSpec na JWST jako część badań RUBIES, zidentyfikował trzy tajemnicze obiekty we wczesnym wszechświecie, około 600-800 milionów lat po Wielkim Wybuchu, kiedy wszechświat miał tylko 5% swojego obecnego wieku. Odkrycie zostało opublikowane 27 czerwca w czasopiśmie Astrophysical Journal Letters.

Zespół badał miary spektralne, czyli intensywność różnych długości fal światła emitowanego przez obiekty. Ich analiza wykazała sygnatury "starych" gwiazd, mających setki milionów lat, znacznie starszych niż się spodziewano we młodym wszechświecie.

Naukowców zaskoczyło również odkrycie sygnatur dużych supermasywnych czarnych dziur w tych samych obiektach, oceniając, że są one od 100 do 1 000 razy masywniejsze niż supermasywna czarna dziura w naszej Drodze Mlecznej. Żadne z tych odkryć nie było oczekiwane według obecnych modeli wzrostu galaktyk i formowania się supermasywnych czarnych dziur, które zakładają, że galaktyki i ich czarne dziury rosną razem przez miliardy lat kosmicznej historii.

„Potwierdziliśmy, że te obiekty są wypełnione starożytnymi gwiazdami - mającymi setki milionów lat - we wszechświecie mającym tylko 600-800 milionów lat. Niewiarygodne, te obiekty trzymają rekord najwcześniejszych sygnatur starożytnego światła gwiazd," powiedziała Bingjie Wang, doktorantka na Penn State i główna autorka pracy. „Było to całkowicie nieoczekiwane, aby znaleźć stare gwiazdy we bardzo młodym wszechświecie. Standardowe modele kosmologii i formowania galaktyk były niezwykle skuteczne, ale te jasne obiekty nie pasują do tych teorii.“

Naukowcy po raz pierwszy zauważyli masywne obiekty w lipcu 2022 roku, kiedy JWST opublikował początkowy zestaw danych. Zespół kilka miesięcy później opublikował pracę w czasopiśmie Nature, ogłaszając istnienie tych obiektów.

Wówczas naukowcy podejrzewali, że obiekty są galaktykami, ale kontynuowali analizę spektralną, aby lepiej zrozumieć rzeczywiste odległości obiektów, jak również źródła ich ogromnej jasności.

Zespół następnie użył nowych danych, aby stworzyć klarowniejszy obraz tego, jak galaktyki wyglądały i co było w ich wnętrzu. Nie tylko potwierdzili, że obiekty rzeczywiście są galaktykami blisko początku czasu, ale także znaleźli dowody na zaskakująco duże supermasywne czarne dziury i zaskakująco starą populację gwiazd.

„To jest bardzo dezorientujące,“ powiedział Joel Leja, adiunkt astronomii i astrofizyki na Penn State i współautor obu prac. „Możesz je niewygodnie dopasować do naszego obecnego modelu wszechświata, ale tylko jeśli weźmiemy pod uwagę jakąś egzotyczną, niesamowicie szybką formację na początku czasu. To jest, bez wątpienia, najbardziej niezwykły i najciekawszy zestaw obiektów, które widziałem w swojej karierze.“

JWST jest wyposażony w instrumenty do wykrywania światła podczerwonego, które mogą wykryć światło emitowane przez najstarsze gwiazdy i galaktyki. W istocie, teleskop pozwala naukowcom zobaczyć wstecz około 13,5 miliarda lat, blisko początku wszechświata, jaki znamy, powiedział Leja.

Jednym z wyzwań w analizie starożytnego światła jest to, że może być trudno rozróżnić rodzaje obiektów, które mogły emitować światło. W przypadku tych wczesnych obiektów, mają one wyraźne cechy zarówno supermasywnych czarnych dziur, jak i starych gwiazd. Jednakże, jak wyjaśniła Wang, nadal nie jest jasne, ile światła pochodzi z każdego źródła - co oznacza, że mogą to być wczesne galaktyki, które są nieoczekiwanie stare i masywniejsze nawet od naszej Drogi Mlecznej, formując się dużo wcześniej niż modele przewidują, lub mogą to być normalne galaktyki z „zbyt masywnymi“ czarnymi dziurami, około 100 do 1 000 razy masywniejszymi niż taka galaktyka miałaby dziś.

„Rozróżnienie światła pochodzącego od materiału wpadającego do czarnej dziury i światła emitowanego przez gwiazdy w tych małych, odległych obiektach jest wyzwaniem,“ powiedziała Wang. „Ta niemożność rozróżnienia w obecnych danych pozostawia dużo miejsca na interpretację tych intrygujących obiektów. Szczerze mówiąc, ekscytujące jest mieć tyle do rozwiązania.“

Oprócz ich niewytłumaczalnej masy i wieku, jeśli część światła rzeczywiście pochodzi z supermasywnych czarnych dziur, to one również nie są normalnymi supermasywnymi czarnymi dziurami. Produkują dużo więcej fotonów ultrafioletowych niż się spodziewano, a podobne obiekty badane innymi instrumentami nie mają charakterystycznych sygnatur supermasywnych czarnych dziur, takich jak gorący pył i silne promieniowanie rentgenowskie. Ale być może najbardziej zaskakujące jest to, jak masywne są, powiedzieli naukowcy.

„Zazwyczaj supermasywne czarne dziury są sparowane z galaktykami,“ powiedział Leja. „Rosną razem i przechodzą przez wszystkie swoje główne etapy życia razem. Ale tutaj mamy w pełni uformowaną dorosłą czarną dziurę wewnątrz tego, co powinno być dziecięcą galaktyką. To nie ma sensu, ponieważ te rzeczy powinny rosnąć razem, lub przynajmniej tak myśleliśmy.“

Naukowców również zaskoczyły niesamowicie małe rozmiary tych systemów, tylko kilkaset lat świetlnych średnicy, około 1 000 razy mniejsze niż nasza Droga Mleczna. Gwiazdy są mniej więcej równie liczne jak w naszej Drodze Mlecznej - z liczbą od 10 miliardów do 1 biliona gwiazd - ale zawarte w objętości 1 000 razy mniejszej niż Droga Mleczna.

Leja wyjaśnił, że gdybyś wziął Drogę Mleczną i skompresował ją do rozmiaru galaktyk, które znaleźli, najbliższa gwiazda prawie byłaby w naszym Układzie Słonecznym. Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej, odległa o około 26 000 lat świetlnych, byłaby odległa tylko o około 26 lat świetlnych od Ziemi i widoczna na niebie jako gigantyczny słup światła.

„Te wczesne galaktyki byłyby tak gęste z gwiazdami - gwiazdami, które musiały formować się w sposób, który nigdy nie widzieliśmy, w warunkach, których nigdy byśmy się nie spodziewali, w okresie, w którym nigdy byśmy się nie spodziewali ich zobaczyć,“ powiedział Leja. „I z jakiegoś powodu wszechświat przestał tworzyć takie obiekty po tylko kilku miliardach lat. Są one unikalne dla wczesnego wszechświata.“

Naukowcy mają nadzieję na dalsze obserwacje, które, jak mówią, mogą pomóc wyjaśnić niektóre z tajemnic tych obiektów. Planują pobierać głębsze spektra, skierowując teleskop na obiekty przez dłuższe okresy czasu, co pomoże rozróżnić emisję od gwiazd i potencjalnych supermasywnych czarnych dziur poprzez identyfikację specyficznych sygnatur absorpcyjnych, które byłyby obecne w każdym z nich.

„Jest jeszcze jeden sposób, w jaki możemy dojść do przełomu, a to jest po prostu właściwy pomysł,“ powiedział Leja. „Mamy wszystkie te części układanki i pasują one tylko wtedy, gdy zignorujemy fakt, że niektóre z nich są złamane. Ten problem jest gotowy na genialny ruch, który jak dotąd nas unikał, wszystkich naszych współpracowników i całej społeczności naukowej.“

Wang i Leja otrzymali finansowanie z programu General Observers NASA. Badania były również wspierane przez Międzynarodowy Instytut Nauk Kosmicznych w Bernie. Praca opiera się częściowo na obserwacjach wykonanych przy użyciu teleskopu Jamesa Webba NASA/ESA/CSA. Obliczenia do badań przeprowadzono na superkomputerze Roar Instytutu Nauk Komputerowych i Danych na Penn State.

Pozostali współautorzy pracy to Anna de Graaff z Max-Planck-Institutu für Astronomie w Niemczech; Gabriel Brammer z Cosmic Dawn Centre i Niels Bohr Institute; Andrea Weibel i Pascal Oesch z Uniwersytetu w Genewie; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum i Rohan Naidu z Uniwersytetu Yale; Ivo Labbé ze Stanforda; Jorryt Matthee i Jenny Greene z Princetonu; Ian McConachie i Rachel Bezanson z Uniwersytetu w Pittsburghu; Josephine Baggen z Uniwersytetu Texas A&M; Katherine Suess z Observatoire de Sauverny w Szwajcarii; David Setton z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research na MIT; Erica Nelson z Uniwersytetu Colorado; Christina Williams z National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory amerykańskiej National Science Foundation i Uniwersytetu Arizona.

Źródło: Pennsylvania State University