Η πρώτη μαύρη τρύπα δίνει σπάνια εικόνα του αρχαίου σύμπαντος

Οι αστρονόμοι έχουν τουλάχιστον δύο ροκανιστικές ερωτήσεις σχετικά με τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος, μια εποχή βουτηγμένη στην κυριολεκτική ομίχλη και το εικονιστικό μυστήριο. Θέλουν να μάθουν τι έκαψε την ομίχλη:αστέρια, υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ή και τα δύο μαζί; Και πώς αυτές οι μαύρες τρύπες μεγάλωσαν τόσο μεγάλες σε τόσο λίγο χρόνο;

Τώρα η ανακάλυψη μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας στα μέσα αυτής της περιόδου βοηθά τους αστρονόμους να επιλύσουν και τα δύο ερωτήματα. "Είναι ένα όνειρο που γίνεται πραγματικότητα ότι όλα αυτά τα δεδομένα έρχονται μαζί", δήλωσε ο Avi Loeb, πρόεδρος του τμήματος αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.

Η μαύρη τρύπα, ανακοινώθηκε σήμερα στο περιοδικό Nature , είναι το πιο μακρινό που έχει βρεθεί ποτέ. Χρονολογείται στα 690 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Η ανάλυση αυτού του αντικειμένου αποκαλύπτει ότι ο επαναιονισμός, η διαδικασία που ξεθάμπωσε το σύμπαν σαν ένα πιστολάκι μαλλιών σε έναν καθρέφτη μπάνιου με ατμό, ήταν περίπου στο μισό ολοκληρωμένο εκείνη τη στιγμή. Οι ερευνητές δείχνουν επίσης ότι η μαύρη τρύπα ζύγιζε ήδη μια δυσνόητη μάζα 780 εκατομμύρια φορές τη μάζα του ήλιου.

Μια ομάδα με επικεφαλής τον Eduardo Bañados, έναν αστρονόμο στο Ινστιτούτο Επιστήμης Carnegie στην Πασαντένα, βρήκε τη νέα μαύρη τρύπα ψάχνοντας μέσα από παλιά δεδομένα για αντικείμενα με το σωστό χρώμα για να είναι υπερμακρινά κβάζαρ - τα ορατά σημάδια υπερμεγέθων μαύρων οπών που καταπίνουν αέριο. Η ομάδα πέρασε από έναν προκαταρκτικό κατάλογο υποψηφίων, παρατηρώντας τον καθένα με τη σειρά του με ένα ισχυρό τηλεσκόπιο στο Παρατηρητήριο Λας Καμπάνας στη Χιλή. Στις 9 Μαρτίου, ο Bañados παρατήρησε μια αχνή κουκκίδα στον νότιο ουρανό για μόλις 10 λεπτά. Μια ματιά στα ακατέργαστα, μη επεξεργασμένα δεδομένα επιβεβαίωσε ότι επρόκειτο για κβάζαρ —όχι για ένα πιο κοντινό αντικείμενο που μεταμφιέζεται σε ένα— και ότι ήταν ίσως το παλαιότερο που βρέθηκε ποτέ. «Εκείνο το βράδυ δεν μπορούσα καν να κοιμηθώ», είπε.

Η μάζα της νέας μαύρης τρύπας, που υπολογίστηκε μετά από περισσότερες παρατηρήσεις, προσθέτει σε ένα υπάρχον πρόβλημα. Οι μαύρες τρύπες μεγαλώνουν όταν πέφτει μέσα τους η κοσμική ύλη. Αλλά αυτή η διαδικασία παράγει φως και θερμότητα. Σε κάποιο σημείο, η ακτινοβολία που απελευθερώνεται από το υλικό καθώς πέφτει στη μαύρη τρύπα ασκεί τόση ορμή που εμποδίζει την πτώση νέου αερίου και διακόπτει τη ροή. Αυτή η διελκυστίνδα δημιουργεί ένα αποτελεσματικό όριο ταχύτητας για την ανάπτυξη της μαύρης τρύπας που ονομάζεται ρυθμός Eddington. Εάν αυτή η μαύρη τρύπα ξεκίνησε ως αντικείμενο μεγέθους αστεριού και αναπτύχθηκε όσο το δυνατόν πιο γρήγορα θεωρητικά, δεν θα μπορούσε να έχει φτάσει την εκτιμώμενη μάζα της εγκαίρως.

Άλλα κβάζαρ μοιράζονται επίσης αυτό το είδος πρόωρης βαρύτητας. Ο δεύτερος πιο μακρινός γνωστός, που αναφέρθηκε το 2011, έγειρε τη ζυγαριά σε περίπου 2 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες μετά από 770 εκατομμύρια χρόνια κοσμικού χρόνου.

Αυτά τα αντικείμενα είναι πολύ μικρά για να είναι τόσο ογκώδη. «Είναι σπάνια, αλλά είναι πολύ εκεί και πρέπει να καταλάβουμε πώς σχηματίζονται», είπε ο Priyamvada Natarajan, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale που δεν ήταν μέλος της ερευνητικής ομάδας. Οι θεωρητικοί έχουν περάσει χρόνια μαθαίνοντας πώς να διογκώνουν μια μαύρη τρύπα σε μοντέλα υπολογιστών, είπε. Πρόσφατη εργασία υποδηλώνει ότι αυτές οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να έχουν περάσει από επεισοδιακές εκρήξεις ανάπτυξης κατά τις οποίες καταβρόχθισαν αέριο πολύ πάνω από τον ρυθμό Έντινγκτον.

Ο Bañados και οι συνεργάτες του διερεύνησαν μια άλλη πιθανότητα:Εάν ξεκινήσετε από την τρέχουσα μάζα της νέας μαύρης τρύπας και γυρίσετε την ταινία προς τα πίσω, ρουφώντας την ύλη με τον ρυθμό Eddington μέχρι να πλησιάσετε τη Μεγάλη Έκρηξη, θα δείτε ότι πρέπει αρχικά να σχηματίστηκε ως αντικείμενο βαρύτερο από 1.000 φορές. τη μάζα του ήλιου. Σε αυτήν την προσέγγιση, τα σύννεφα που καταρρέουν στο πρώιμο σύμπαν γέννησαν κατάφυτες μαύρες τρύπες που ζύγιζαν χιλιάδες ή δεκάδες χιλιάδες ηλιακές μάζες. Ωστόσο, αυτό το σενάριο απαιτεί εξαιρετικές συνθήκες που θα επέτρεπαν στα νέφη αερίου να συμπυκνωθούν όλα μαζί σε ένα ενιαίο αντικείμενο αντί να θρυμματιστούν σε πολλά αστέρια, όπως συμβαίνει συνήθως.

Κοσμικοί Σκοτεινοί Χρόνοι

Ακόμη και νωρίτερα στο πρώιμο σύμπαν, πριν υπάρξουν αστέρια ή μαύρες τρύπες, ο χαοτικός αγώνας γυμνών πρωτονίων και ηλεκτρονίων ενώθηκε για να δημιουργήσει άτομα υδρογόνου. Αυτά τα ουδέτερα άτομα απορρόφησαν στη συνέχεια το λαμπερό υπεριώδες φως που προερχόταν από τα πρώτα αστέρια. Μετά από εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, νεαρά αστέρια ή κβάζαρ εξέπεμψαν αρκετό φως για να αφαιρέσουν τα ηλεκτρόνια από αυτά τα άτομα, διαλύοντας την κοσμική ομίχλη σαν ομίχλη την αυγή.

Οι αστρονόμοι γνώριζαν ότι ο επαναιονισμός ολοκληρώθηκε σε μεγάλο βαθμό περίπου ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Εκείνη την εποχή είχαν απομείνει μόνο ίχνη ουδέτερου υδρογόνου. Αλλά το αέριο γύρω από το κβάζαρ που ανακαλύφθηκε πρόσφατα είναι περίπου μισό ουδέτερο, μισό ιονισμένο, πράγμα που δείχνει ότι, τουλάχιστον σε αυτό το μέρος του σύμπαντος, ο επαναιονισμός είχε μόλις μισοτελειωθεί. "Αυτό είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον, για να χαρτογραφήσουμε πραγματικά την εποχή του επαναιονισμού", δήλωσε ο Volker Bromm, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας.

Όταν άνοιξαν για πρώτη φορά οι πηγές φωτός που ενεργοποίησαν τον επαναιονισμό, πρέπει να είχαν σκαλίσει τον αδιαφανή κόσμο όπως το ελβετικό τυρί. Αλλά ποιες ήταν αυτές οι πηγές, πότε συνέβη και πόσο αποσπασματική ή ομοιογενής ήταν η διαδικασία, όλα συζητούνται. Το νέο κβάζαρ δείχνει ότι ο επαναιονισμός έγινε σχετικά αργά. Αυτό το σενάριο ισοδυναμεί με αυτό που θα μπορούσε να κάνει ο γνωστός πληθυσμός των πρώιμων γαλαξιών και των αστεριών τους, χωρίς να απαιτείται από τους αστρονόμους να αναζητήσουν ακόμη προηγούμενες πηγές για να το επιτύχουν πιο γρήγορα, δήλωσε ο συν-συγγραφέας της μελέτης Bram Venemans του Ινστιτούτου Αστρονομίας Max Planck στη Χαϊδελβέργη.

Περισσότερα σημεία δεδομένων ενδέχεται να είναι καθ' οδόν. Για τους αστρονόμους του ραδιοφώνου, που ετοιμάζονται να αναζητήσουν εκπομπές από το ίδιο το ουδέτερο υδρογόνο, αυτή η ανακάλυψη δείχνει ότι αναζητούν τη σωστή χρονική περίοδο. «Τα καλά νέα είναι ότι θα υπάρχει ουδέτερο υδρογόνο για να το δουν», είπε ο Loeb. "Δεν ήμασταν σίγουροι για αυτό."

Η ομάδα ελπίζει επίσης να εντοπίσει περισσότερα κβάζαρ που χρονολογούνται στην ίδια χρονική περίοδο αλλά σε διαφορετικά μέρη του πρώιμου σύμπαντος. Ο Bañados πιστεύει ότι υπάρχουν μεταξύ 20 και 100 τέτοια πολύ μακρινά, πολύ φωτεινά αντικείμενα σε ολόκληρο τον ουρανό. Η τρέχουσα ανακάλυψη προέρχεται από τις αναζητήσεις της ομάδας του στον νότιο ουρανό. Το επόμενο έτος, σχεδιάζουν να ξεκινήσουν την αναζήτηση και στον βόρειο ουρανό.

«Ας ελπίσουμε ότι θα βγει», είπε ο Μπρομ. Για χρόνια, είπε, η σκυτάλη έχει παραδοθεί μεταξύ διαφορετικών κατηγοριών αντικειμένων που φαίνεται να δίνουν τις καλύτερες αναλαμπές στον πρώιμο κοσμικό χρόνο, με την πρόσφατη προσοχή να πηγαίνει συχνά σε μακρινούς γαλαξίες ή φευγαλέες εκρήξεις ακτίνων γάμμα. «Οι άνθρωποι είχαν σχεδόν εγκαταλείψει τα κβάζαρ», είπε.