JWST odhalil černou díru, která vznikla dříve než její galaxie

První přímé měření hmotnosti objektů z raného vesmíru se zabývá debatou o původu supermasivních černých děr. Připojený snímek z kamery NIRCam (Near Infrared Camera) Webbova vesmírného teleskopu JWST ukazuje Abell 2744-QSO1, zvětšenou a trojnásobně zobrazenou prostřednictvím galaktické kupy Abell 2744.

S využitím bezprecedentního zobrazovacího a spektroskopického výkonu vesmírného dalekohledu JWST vědci zmapovali pohyb a složení plynu obíhajícího kolem černé díry v centru galaxie Abell 2744-QSO1, malé galaxie vzdálené více než 13 miliard světelných let. Výsledky naznačují, že černá díra o hmotnosti 50 milionů Sluncí předchází svou hostitelskou galaxii; pravděpodobně se zformovala během první sekundy Velkého třesku, a musela být od samého začátku obrovská.

Co bylo dřív, galaxie, nebo černá díra? Vědci si dlouho mysleli, že by to mohla být galaxie: velké hvězdy v existující galaxii spotřebují své palivo a zhroutí se za vzniku černých děr, které mohou pohltit okolní materiál a časem se sloučit a vytvořit hmotnější entity. Je však těžké pochopit, jak mohly černé díry o hmotnosti milionů až miliard ekvivalentů Slunce, z nichž tisíce byly nyní detekovány v raném vesmíru, tak rychle vyrůst z tak malých zárodků.

Vědci využívající Webbův teleskop nyní objevili jasné důkazy o tom, že některé supermasivní černé díry byly od začátku obrovské, formovaly se bez fáze hvězdného kolapsu a bez výrazně hmotnější hostitelské galaxie, která by je živila.

„Toto je pozoruhodný nález,“ řekl Roberto Maiolino z Cambridge University, United Kingdom, spoluautor studií publikovaných v časopisech Nature a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. „Je to změna paradigmatu, úplné přehodnocení klasických scénářů, jak černé díry vznikají a rostou.“

Malá červená tečka QSO1
Závěr týmu je založen na detailních pozorováních Abell 2744-QSO1 (QSO1), prototypu malé červené tečky, která existovala pouhých 700 milionů let po Velkém třesku.

Ačkoliv má QSO1 průměr pouze 1 300 světelných let a její světlo putuje vesmírem již více než 13 miliard let, je snazší ji studovat než většinu ostatních malých červených teček, protože je gravitačně čočkovaná galaktickou kupou Abell 2744 (Pandořina kupa). QSO1 je zvětšená a trojitě zobrazená a objevuje se na snímku na třech různých místech.

Počáteční studie QSO1 odhalily přesvědčivé důkazy o tom, že by se mohlo jednat o pouhý oblak zářícího vodíku a helia obíhající supermasivní černou díru, jejíž hmotnost se odhaduje na 40 milionkrát větší než hmotnost Slunce. Stejně jako u jiných raných černých děr objevených Webbem však panovala nejistota, zda je skutečně tak hmotná.

„Doposud byla všechna měření hmotnosti černých děr v raném vesmíru nepřímá, založená na předpokladech z toho, co o nich víme v lokálním vesmíru. Nevěděli jsme, zda tyto předpoklady skutečně platí pro vzdálený vesmír,“ řekl spoluautor Francesco D’Eugenio, rovněž z Cambridge University.

Mapování složení a rychlosti plynu
Tým zjistil, že pokud je černá díra QSO1 tak masivní, jak vypadá, měli by být schopni použít integrální jednotku pole (IFU) na Webbově spektrografu NIRSpec (Near Infrared Spectrograph) ke sledování vlivů její gravitace na plyn vířící kolem ní a zároveň mapovat rozložení různých prvků obsažených v plynu.

Doktorand z Cambridge Ignas Juodbalis a Cosimo Marconcini z University of Florence v Itálii, hlavní autoři jedné ze studií, použili pozorování IFU k mapování pohybu vodíku obklopujícího černou díru. Když vynesli rychlost rotace jako funkci vzdálenosti od středu, zjistili, že plyn má keplerovský pohyb: obíhá kolem centrálního bodu stejným způsobem, jako planety v naší Sluneční soustavě obíhají kolem Slunce.

„To je důležité, protože nám to říká, že většina hmoty QSO1 je soustředěna v černé díře uprostřed,“ řekl Juodbalis. „Kdyby byla hmota více rozložená, jako by tomu bylo v případě velkého množství hvězd, plyn by neměl tuto dokonalou keplerovskou rotaci.“

Vzhledem k tomu, že keplerovský pohyb se řídí jednoduchými gravitačními zákony, byl tým schopen použít měření rychlosti plynu k přímému výpočtu hmotnosti černé díry, což dříve nebylo možné. Zjistili, že černá díra je nejen obrovská – zhruba 50 milionů hmotností Sluncí – ale tvoří až ohromující dvě třetiny celkové hmotnosti QSO1. Tento podíl je tisíckrát větší než v blízkých galaxiích, kde supermasivní černé díry tvoří jen nepatrný zlomek celkové hmotnosti hostitelské galaxie.

Mapy složení podle IFU tyto výsledky podpořily a ukázaly, že plyn v celé galaxii QSO1 je téměř výhradně vodík a helium s velmi malým množstvím těžších prvků, jako je kyslík, které by se daly očekávat v galaxii bohaté na hvězdy. S metalicitou menší než 0,5 % Slunce je QSO1 jedním z nejčistších galaktických prostředí, která kdy byla změřena.

„Toto je fenomenální výsledek,“ řekl Maiolino. „Je to první přímé měření hmotnosti černé díry v první miliardě let po Velkém třesku a je v souladu s předchozími měřeními.“ Tým se domnívá, že je to dobré znamení, že předpoklady použité pro nepřímá měření hmotnosti jsou platné a hmotnosti jiných černých děr v raném vesmíru nebyly nadhodnoceny.

Původ supermasivních černých děr
Nadměrná hmotnost QSO1 v porovnání s její hostitelskou galaxií naznačuje, že se nemohla postupně formovat ze slučování a pohlcování mnohem menších černých děr o hvězdné hmotnosti. „Zdá se, že jsme našli černou díru, která nemá podstatnou hostitelskou galaxii a která předcházela hvězdným procesům,“ řekl Juodbalis. „To je velmi vzrušující, protože je to důkaz existence primordiálních černých děr nebo černých děr s přímým kolapsem, které byly teoretizovány, ale nebyly potvrzeny.“

Ať už se černá díra v QSO1 vyvinula z „těžkého zárodku“, který vznikl během první sekundy Velkého třesku, nebo o něco později z kolapsu obrovského oblaku plynu, téměř jistě se zrodila velká a může být v rané fázi budování galaxie kolem sebe.

Tým se domnívá, že malé červené tečky jako QSO1 nemohly být v raném vesmíru vzácné, a v současné době analyzuje podobné objekty, aby zjistil, zda supermasivní černé díry skutečně předcházejí galaxiím, ve kterých se v současnosti nacházejí.

Zdroj: https://esawebb.org/news/weic2609/?lang

autor: František Martinek