Zagadka masywnych czarnych dziur z wczesnego Wszechświata stawia pod znakiem zapytania teorie kosmologii

Amerykańscy astrofizycy z Massachusetts Institute of Technology odkryli niewytłumaczalnie masywne czarne dziury w kwazarach, które istniały, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat. Te kosmiczne elektrownie, których jasność przyćmiewa całe galaktyki, podważają obecne teorie dotyczące powstawania czarnych dziur. Odkrycie stanowi jedno z najbardziej zagadkowych zjawisk w astrofizyce i zmusza naukowców do przewartościowania dotychczasowych modeli ewolucji wczesnego Wszechświata.

Supermasywne czarne dziury o masie miliardów słońc, odkryte w kwazarach o przesunięciu ku czerwieni z≳6, stanowią poważną zagadkę. Zgodnie ze standardowymi modelami akrecji, nie miały one po prostu wystarczająco dużo czasu - mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu - aby osiągnąć takie rozmiary poprzez stopniowe pochłanianie materii.

Jeszcze bardziej zaskakujący jest fakt, że nowe dane pokazują, iż kwazary te były aktywne przez niezwykle krótki czas. Badacze celowo koncentrowali się na kwazarach o niezwykle małych strefach bliskości, które sugerują ekstremalnie krótkie okresy aktywności wynoszące mniej niż milion lat - niektóre zaledwie około 1000 lat. Jest to sprzeczne z ideą długoterminowego, zrównoważonego procesu wzrostu.

Zespół kierowany przez Dominikę Ďurovčíkovą z MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research badał alternatywne mechanizmy wzrostu, w tym epizodyczną akrecję super-Eddingtona, łączenie się czarnych dziur i wzrost wspomagany strumieniami. Granica Eddingtona reprezentuje maksymalną szybkość, z jaką materia może wpadać do czarnej dziury przy zachowaniu równowagi między przyciąganiem grawitacyjnym a ciśnieniem promieniowania.

Zespół zbadał młode kwazary przy przesunięciu ku czerwieni z~6, wykorzystując obserwacje z Multi-Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) na Bardzo Dużym Teleskopie. Naukowcy wykorzystali spektrograf MUSE do badania kwazarów charakteryzujących się anomalnie małymi strefami bliskości. Szczególną uwagę poświęcono poszukiwaniom mgławic Lyman-alfa - gigantycznych obłoków świecącego gazu wodorowego, które mogą wskazywać na wczesne stadia aktywności kwazara.

Poprzez poszukiwanie rozszerzonych mgławic Lyman-alfa wokół tych kwazarów, zespół chciał określić, czy te obiekty są rzeczywiście we wczesnych fazach akrecji, co wskazywałyby małe lub nieobecne mgławice, czy też ich małe strefy bliskości mogą być spowodowane kierunkowymi efektami przesłaniania ukrywającymi bardziej rozległą emisję mgławicową.

Analiza wykazała, że zaobserwowane supermasywne czarne dziury rzeczywiście znajdują się we wczesnej fazie aktywnego pochłaniania materii. Ich odkrycia, opublikowane na serwerze preprint arXiv, dostarczają przekonujących dowodów, że te odległe kwazary dopiero niedawno zapaliły swoje silniki intensywnej akrecji, ujawniając supermasywne czarne dziury uchwycone w najwcześniejszych momentach ich aktywnych faz żywienia. Oznacza to, że w jakiś sposób osiągnęły one swoje kolosalne rozmiary przed rozpoczęciem intensywnej akrecji, co wymagałoby rewizji istniejących modeli.

Badanie przeprowadzone przez naukowców z MIT pokazało również zaskakującą różnorodność w środowiskach kwazarów. Niektóre kwazary zamieszkują zatłoczone pola z ponad 50 sąsiadującymi galaktykami, podczas gdy inne wydają się siedzieć w środku nicości. Anna-Christina Eilers z MIT stwierdziła: "Wbrew wcześniejszym przekonaniom, stwierdzamy średnio, że te kwazary niekoniecznie znajdują się w tych najgęstszych regionach wczesnego Wszechświata. Niektóre z nich wydają się siedzieć w środku nicości".

Obliczenia sugerują, że w określonych warunkach czarna dziura nawet tak mała jak 10 razy masa Słońca może urosnąć do ponad 10 miliardów mas Słońca do czasu, gdy Wszechświat ma miliard lat. Wymaga to jednak specjalnych warunków, takich jak brak dysku akrecyjnego, który pozwoliłby materii swobodnie wpadać do czarnej dziury ze wszystkich kierunków.

Analiza spektrów w podczerwieni 37 kwazarów o przesunięciach ku czerwieni między 6,3 a 7,64 - około 700 do 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu - wykazała masy czarnych dziur w zakresie od 300 milionów do 3,6 miliarda mas słonecznych. Te obiekty pochłaniają materię z szybkością od 0,26 do 2,3 razy większą od granicy Eddingtona.

Zespół zaproponował kilka alternatywnych mechanizmów formowania się: łączenie się czarnych dziur, przyspieszony wzrost dzięki potężnym strumieniom materii oraz epizodyczna akrecja super-Eddingtona - absorpcja materii w tempie szybszym niż teoretyczny limit. Te mechanizmy mogą wyjaśniać, jak czarne dziury osiągnęły tak ogromne rozmiary w tak krótkim czasie.

Obserwacja ta głęboko podważa konwencjonalne modele wzrostu supermasywnych czarnych dziur, ponieważ sugeruje, że te kosmiczne giganty w jakiś sposób osiągnęły swoje ogromne masy poprzez mechanizmy, które przeczą naszemu obecnemu rozumieniu. To odkrycie nie tylko ujawnia luki w naszej wiedzy o wczesnym Wszechświecie, ale także wskazuje na potrzebę opracowania nowych teorii opisujących powstawanie i ewolucję pierwszych supermasywnych czarnych dziur.

Te obiekty podważają nasze rozumienie procesów wzrostu we wczesnym Wszechświecie. Wydaje się, że istnieją mechanizmy powstawania supermasywnych czarnych dziur, o których jeszcze nie wiemy. Odkrycie to otwiera nowy rozdział w astrofizyce i kosmologii, zmuszając naukowców do głębokiego przemyślenia tego, jak Wszechświat ewoluował w swoich najwcześniejszych fazach.