Teleskop James Webb, u svojoj prvoj godini rada, ostvario je jedno od najneočekivanijih otkrića: visok broj slabo svijetlećih malih crvenih točaka u udaljenom svemiru mogao bi promijeniti način na koji shvaćamo nastanak supermasivnih crnih rupa. Istraživanje, pod vodstvom Jorryta Mattheea, docenta za astrofiziku na Institutu za znanost i tehnologiju Austrije (ISTA), objavljeno je u časopisu Astrophysical Journal.

Ove malene crvene točke, otkrivene na malom dijelu našeg noćnog neba, predstavljaju neočekivani proboj za teleskop James Webb (JWST) unutar njegove prve godine djelovanja. Ti objekti nisu bili razlikovni od normalnih galaksija kroz 'oči' starijeg svemirskog teleskopa Hubble. "Iako nije razvijen specifično za ovu svrhu, JWST nam je omogućio da utvrdimo kako su slabo svijetleće male crvene točke – pronađene daleko u prošlosti svemira – male verzije izrazito masivnih crnih rupa. Ovi posebni objekti mogli bi promijeniti način na koji razmišljamo o genezi crnih rupa," izjavio je Jorryt Matthee, docent na Institutu za znanost i tehnologiju Austrije (ISTA) i glavni autor studije. "Trenutačna otkrića mogla bi nas približiti odgovoru na jednu od najvećih dilema u astronomiji: prema trenutačnim modelima, neke supermasivne crne rupe u ranoj fazi svemira jednostavno su rasle 'prebrzo'. Kako su onda nastale?"

Prva godina rada svemirskog teleskopa James Webb donijela je neočekivano otkriće koje bi moglo promijeniti naše razumijevanje nastanka supermasivnih crnih rupa. Unutar dubokog svemirskog prošlosti, teleskop je identificirao veliki broj blijedih malih crvenih točaka, koje su do tada bile neprimjetne kroz "oči" starijeg Hubbleovog svemirskog teleskopa. Ove male crvene točke, koje se uočavaju u udaljenom svemiru, predstavljaju manje verzije izrazito masivnih crnih rupa. "Iako nije izravno razvijen s tom namjerom, JWST nam je omogućio da utvrdimo kako su ove malene crvene točke, pronađene daleko u prošlosti svemira, zapravo male verzije ekstremno masivnih crnih rupa. Ova posebna otkrića mogla bi promijeniti način na koji razmišljamo o genezi crnih rupa," izjavio je Jorryt Matthee, docent za astrofiziku na Institutu za znanost i tehnologiju Austrije (ISTA), i glavni autor studije. Ova otkrića mogla bi nas dovesti korak bliže rješavanju jednog od najvećih dilema u astronomiji: prema trenutačnim modelima, neke supermasivne crne rupe u ranom svemiru rasle su 'prebrzo'. Kako su onda nastale?

Dugo su crne rupe smatrane samo matematičkom znatiželjom dok nije postalo sve očitije da one zaista postoje. Ove neobične kozmičke "bezdane" imaju toliko kompaktne mase i snažne gravitacijske sile da ništa ne može pobjeći iz njihovog privlačenja – apsorbiraju sve, uključujući kozmičku prašinu, planete i zvijezde, te deformiraju prostor i vrijeme oko sebe tako da čak ni svjetlost ne može pobjeći. Opća teorija relativnosti, koju je objavio Albert Einstein prije više od stoljeća, predvidjela je da crne rupe mogu imati bilo koju masu. Jedne od najintrigantnijih crnih rupa su supermasivne crne rupe (SMBH), koje mogu doseći milijune do milijarde puta masu Sunca. Astrofizičari se slažu da gotovo svaka velika galaksija ima SMBH u svom centru. Dokaz da je Sagittarius A* SMBH u središtu naše Galaksije s više od četiri milijuna puta masom Sunca, donio je Nobelovu nagradu za fiziku 2020. godine.

Međutim, ne sve SMBH su iste. Dok se Sagittarius A* može usporediti s uspavanim vulkanom, neke SMBH rastu izuzetno brzo apsorbirajući astronomske količine materije. Tako postaju toliko sjajne da se mogu promatrati do rubova stalno se širećeg svemira. Ove SMBH nazivamo kvazari i spadaju među najsjajnije objekte u svemiru. "Jedan od problema s kvazarima je što se neki od njih čine prekomjerno masivnima, previše masivnima s obzirom na dob svemira u kojoj se kvazari opažaju. Nazivamo ih 'problematični kvazari'", kaže Matthee. "Ako uzmemo u obzir da kvazari potječu od eksplozija masivnih zvijezda – i da znamo njihovu maksimalnu brzinu rasta iz općih zakona fizike, neki od njih izgledaju kao da su rasli brže nego što je moguće. To je kao da gledate petogodišnje dijete visoko dva metra. Nešto se ne poklapa," objašnjava.

Sada Matthee i njegovi kolege identificiraju populaciju objekata koji se pojavljuju kao male crvene točke na slikama JWST-a. Također, dokazuju da su ti objekti SMBH, ali ne prekomjerno masivni. Ključno za utvrđivanje da su ti objekti SMBH bila je detekcija spektralnih linija Hα s širokim profilima linija. Hα linije su spektralne linije u dubokocrvenom području vidljive svjetlosti koje se emitiraju kada se vodikove atome zagrije. Širina spektra prati kretanje plina. "Što je šira osnova Hα linija, to je veća brzina plina. Dakle, ovi spektri nam govore da gledamo vrlo maleni oblak plina koji se izuzetno brzo kreće i orbitira oko nečega vrlo masivnog poput SMBH," kaže Matthee. Međutim, male crvene točke nisu divovska kozmička čudovišta pronađena u prekomjerno masivnim SMBH. "Dok su 'problematični kvazari' plavi, izuzetno sjajni i dosežu milijarde puta masu Sunca, male crvene točke su više poput 'beba kvazara'. Njihove mase leže između deset i stotinu milijuna masa Sunca. Također, pojavljuju se crvene jer su prašnjave. Prašina zamagljuje crne rupe i crveni boje," kaže Matthee. No, konačno, izbacivanje plina iz crnih rupa probit će kokon prašine, i iz ovih malih crvenih točaka evoluirat će divovi. Dakle, astrofizičar s ISTA-e i njegov tim sugeriraju da su male crvene točke male, crvene verzije divovskih plavih SMBH u fazi koja prethodi problematičnim kvazarima. "Detaljnije proučavanje beba verzija prekomjerno masivnih SMBH omogućit će nam bolje razumijevanje kako problematični kvazari nastaju."

Zahvaljujući podacima prikupljenima kroz suradnju projekata EIGER (Galaksije s emisijskim linijama i međugalaktički plin u doba reionizacije) i FRESCO (Prve Spektroskopski Potpune Opservacije dobe reionizacije), Matthee i njegov tim uspjeli su otkriti "bebe kvazare". Radi se o velikom i srednjem programu JWST-a u kojem je Matthee sudjelovao. Prošlog prosinca, časopis Physics World uvrstio je EIGER među deset najvećih proboja godine za 2023. "EIGER je posebno dizajniran za proučavanje rijetkih plavih supermasivnih kvazara i njihovog okoliša. Nije bio namijenjen otkrivanju malih crvenih točaka. No, pronašli smo ih slučajno u istom skupu podataka. To je zato što, koristeći blisku infracrvenu kameru JWST-a, EIGER akvizira emisijske spektre svih objekata u svemiru," izjavio je Matthee. "Ako ispružite kažiprst i potpuno ispružite ruku, područje noćnog neba koje smo istraživali odgovara otprilike dvadesetom dijelu površine vašeg nokta. Dosad smo vjerojatno tek zagrebali površinu."

Matthee je uvjeren da će ova studija otvoriti mnoge putove i pomoći u odgovaranju na neka velika pitanja o svemiru. "Crne rupe i SMBH su vjerojatno najzanimljivije stvari u svemiru. Teško je objasniti zašto su tamo, ali one su tamo. Nadamo se da će ovaj rad pomoći u otkrivanju jedne od najvećih tajni svemira," zaključuje on.

Nedugo prije objavljivanja ovog priopćenja, Znanstveni institut svemirskog teleskopa (STScI) objavio je odabrane prijedloge programa za treću godinu znanstvenih operacija JWST-a. Među programima koji su prošli konkurentni odabir bio je Mattheev prijedlog "Razlikovanje Malih Crvenih Točaka: veza između rane rasti SMBH i kozmičke reionizacije", koji će ukupno trajati 45 sati na JWST-u.

Objava: Jorryt Matthee i sur. 2024. Male Crvene Točke: Obilna Populacija Blijedih Aktivnih Galaktičkih Jezgri (AGN) na z ~ 5 Otkrivena EIGER i FRESCO JWST Istraživanjima. The Astrophysical Journal. DOI: 10.3847/1538-4357/ad2345

Izvor: Institute of Science and Technology Austria (ISTA)