Překvapivě masivní černé díry v raném vesmíru

Na připojeném obrázku je umělecké ztvárnění oblasti jasného jádra kvasaru, aktivní galaxie. Supermasivní černá díra ve středu je obklopena jasným diskem plynu a prachu. Složka prachu dále může zakrývat výhled do nitra a září převážně ve středním infračerveném rozsahu, což je světlo, které lze analyzovat vesmírným teleskopem Jamese Webba (JWST). Z bezprostřední blízkosti černé díry, kolmo k disku, vyčnívá svazek vysokoenergetických částic unikajících do prostoru.

Je překvapivé, že černá díra už v raném vesmíru vážila přes miliardu slunečních hmot navzdory průměrné „chuti k jídlu“. Vesmírný dalekohled Jamese Webba, který nahlédl do raných fází vesmíru starého 13,8 miliardy let, zahlédl galaxii, jaká existovala pouhých 700 milionů let po Velkém třesku. Je záhadné, jak mohla černá díra vážit miliardu slunečních hmot, když byl vesmír ještě v plenkách. Pozorování Jamese Webba byla navržena tak, aby se blíže podívala na mechanismus pohlcování hmoty, ale nenašla nic neobvyklého. Černé díry už zřejmě rostly podobným způsobem jako dnes. Výsledek je však významnější: mohl by ukázat, že astronomové vědí o vzniku galaxií méně, než si mysleli. A přesto nejsou měření v žádném případě zklamáním. Naopak.

Záhada raných černých děr

První miliarda let kosmické historie představuje výzvu: Nejstarší známé černé díry v centrech galaxií mají překvapivě velké hmotnosti. Jak se staly tak masivními, a tak rychle? Zde popsaná nová pozorování poskytují silný důkaz proti některým navrhovaným vysvětlením, zejména proti „ultraefektivnímu režimu výživy“ pro nejstarší černé díry.

Hranice růstu supermasivních černých děr

Hvězdy a galaxie se za posledních 13,8 miliardy let, což je doba života vesmíru, nesmírně změnily. Galaxie se zvětšily a získaly více hmoty, buď spotřebováním okolního plynu, nebo (občas) vzájemným splynutím. Astronomové dlouho předpokládali, že supermasivní černé díry v centrech galaxií budou postupně růst spolu se samotnými galaxiemi.

Ale růst černých děr nemůže být libovolně rychlý. Hmota dopadající na černou díru vytváří vířící, horký, jasný „akreční disk“. Když k tomu dojde kolem supermasivní černé díry, výsledkem je aktivní galaktické jádro. Nejjasnější takové objekty, známé jako kvasary, patří mezi nejjasnější astronomické objekty v celém vesmíru. Ale tato jasnost omezuje, kolik hmoty může dopadnout na černou díru: Světlo vyvíjí tlak, který může zabránit pádu další hmoty.

Jak se černé díry staly tak masivními a tak rychle?

Proto byli astronomové překvapeni, když za posledních dvacet let pozorování vzdálených kvasarů odhalili velmi mladé černé díry, které přesto dosahovaly hmotnosti až 10 miliard hmotností Slunce. Světlu nějakou dobu trvá, než se dostane ze vzdáleného objektu k nám, takže dívat se na vzdálené objekty znamená dívat se do vzdálené minulosti. Nejvzdálenější známé kvasary vidíme tak, jaké byly v éře známé jako „kosmický úsvit“, méně než jednu miliardu let po Velkém třesku, kdy se zformovaly první hvězdy a galaxie.

Vysvětlení těchto raných masivních černých děr je značnou výzvou pro současné modely vývoje galaxií. Je možné, že rané černé díry byly mnohem efektivnější při akreci plynu než jejich současné protějšky? Nebo by mohla přítomnost prachu ovlivnit odhady hmotnosti kvasarů způsobem, který přiměl výzkumníky nadhodnocovat rané hmotnosti černých děr? V současné době existuje mnoho navrhovaných vysvětlení, ale žádné není široce přijímáno.

Bližší pohled na raný růst černých děr

Rozhodnutí o tom, které – pokud vůbec nějaké – z vysvětlení je správné, vyžaduje úplnější obraz kvasarů, než jaký byl k dispozici dříve. S příchodem vesmírného teleskopu JWST, konkrétně jeho infračerveného přístroje MIRI (Mid-Infrared Instrument) pro střední infračervené záření, zaznamenala schopnost astronomů studovat vzdálené kvasary obrovský skok. Pro měření spekter vzdáleného kvasaru je MIRI 4000krát citlivější než jakýkoliv předchozí přístroj.

Přístroje jako MIRI vyrábí mezinárodní konsorcia, ve kterých úzce spolupracují vědci, inženýři a technici. Konsorcium má přirozeně velký zájem o testování, zda jejich nástroj funguje tak dobře, jak bylo plánováno. Na oplátku za stavbu přístroje je konsorciím obvykle poskytnuta určitá doba pozorování. V roce 2019, roky před vypuštěním JWST, se evropské konsorcium MIRI rozhodlo využít část tohoto času k pozorování tehdy nejvzdálenějšího známého kvasaru, který nese o značení J1120+0641.

Pozorování jedné z nejstarších černých děr

Analýzou pozorování byla pověřena Sarah Bosmanová, postdoktorandka z Institutu Maxe Plancka pro astronomii (MPIA) a členka evropského konsorcia MIRI. Příspěvky MPIA k nástroji MIRI zahrnují vybudování řady klíčových vnitřních částí. Bosmanová byla požádána, aby se připojila ke spolupráci MIRI, konkrétně proto, aby přinesla odborné znalosti o tom, jak nejlépe využít přístroj ke studiu raného vesmíru, zejména prvních supermasivních černých děr.

Pozorování byla provedena v lednu 2023, během prvního cyklu pozorování JWST, a trvala asi dvě a půl hodiny. Představují první střední infračervenou studii kvasaru v období kosmického úsvitu, pouhých 770 milionů let po Velkém třesku (rudý posuv z=7). Informace nepochází z obrazu, ale ze spektra: z rozkladu světla objektu na složky o různých vlnových délkách.

Sledování prachu a rychle se pohybujícího plynu

Celkový tvar středního infračerveného spektra kóduje vlastnosti velkého torusu prachu, který obklopuje akreční disk u typických kvasarů. Tento torus pomáhá navádět hmotu na akreční disk a „krmit“ černou díru. Špatná zpráva pro ty, jejichž upřednostňované řešení masivních raných černých děr spočívá v alternativních rychlých způsobech růstu: Torus a potažmo i krmný mechanismus v tomto velmi raném kvasaru se zdají být stejné jako u jeho současných protějšků. Jediný rozdíl je ten, který žádný model rychlého raného růstu kvasarů nepředpovídal: poněkud vyšší teplota prachu přibližně o sto Kelvinů než 1300 K zjištěná u nejžhavějšího prachu v méně vzdálených kvasarech.

Část spektra s kratší vlnovou délkou, které dominují emise ze samotného akrečního disku, ukazuje, že pro nás jako vzdálené pozorovatele není světlo kvasaru tlumeno prachem víc než obvykle. Řešením nejsou ani argumenty, že možná pouze přeceňujeme rané hmoty černých děr kvůli dalšímu prachu.
Oblast kvasaru, kde shluky plynu obíhají kolem černé díry rychlostí blízkou rychlosti světla – což umožňuje odhady o hmotnosti černé díry a hustotě a ionizaci okolní hmoty – také vypadá normálně. Téměř všemi vlastnostmi, které lze odvodit ze spektra, se J1120+0641 neliší od kvasarů v pozdějších dobách.

„Celkově tato nová pozorování jen přidávají na záhadě: rané kvasary byly překvapivě normální. Bez ohledu na to, na kterých vlnových délkách je pozorujeme, jsou kvasary ve všech epochách vesmíru téměř totožné,“ říká Bosmanová. Nejen samotné supermasivní černé díry, ale i jejich krmné mechanismy byly zjevně již zcela „zralé“, když byl vesmír starý pouhých 5 % svého současného stáří. Tím, že vyloučily řadu alternativních řešení, výsledky silně podporují myšlenku, že superhmotné černé díry začaly svoji existenci se značnými hmotnostmi od samého začátku. Supermasivní černé díry nevznikly ze zbytků raných hvězd, pak velmi rychle rostly hmotnostně. Musely se zformovat brzy s počátečními hmotnostmi alespoň sto tisíc slunečních hmot, pravděpodobně kolapsem masivních raných oblaků plynu.

Zdroj: https://scitechdaily.com/billion-mass-behemoths-surprisingly-massive-early-universe-black-holes-challenge-cosmic-theories/

autor: František Martinek