За останні кілька десятиліть астрономи змогли зазирнути далі у Всесвіт (а також назад у часі), майже до самих початків Всесвіту. Роблячи це, вони дізналися багато про деякі найдавніші галактики у Всесвіті та їх подальшу еволюцію. Однак є ще деякі речі, які все ще є поза межами, наприклад, коли вперше з'явилися галактики із надмасивними чорними дірами (SMBH) та масивними струменями.
Згідно з останніми дослідженнями Міжнародної школи перспективних досліджень (SISSA) та команди астрономів з Японії та Тайваню, вони дають нове розуміння того, як надмасивні чорні діри почали формуватися лише через 800 мільйонів років після Великого вибуху, а релятивістські реактивні літаки - менше 2 мільярдів років після. Ці результати є частиною зростаючої справи, яка показує, як масивні об'єкти у нашому Всесвіті формуються раніше, ніж ми думали.
Астрономи про СМБХ знають вже понад півстоліття. Вчасно вони зрозуміли, що найбільш масивні галактики (включаючи Чумацький Шлях) мають їх у своїх ядрах. Роль, яку вони відіграють в еволюції галактик, також була предметом вивчення, сучасні астрономи робили висновок, що вони безпосередньо пов'язані зі швидкістю утворення зірок у галактиках.
Аналогічно, астрономи встановили, що у СМБК є щільні накопичувальні диски навколо них, де газ і пил прискорюються до наближення до швидкості світла. Це призводить до того, що центр деяких галактик стає настільки яскравим - те, що відоме як активні галактичні ядра (АГН) - що вони затьмарюють зірки у своїх дисках. У деяких випадках ці накопичувальні диски також призводять до струменів гарячого матеріалу, які можна побачити через мільярди світлових років.
Згідно з традиційними моделями, у галактик не було достатньо часу для розвитку центральних чорних дір, коли Всесвіту було менше мільярда років (приблизно 13 мільярдів років тому). Однак останні спостереження показали, що чорні діри вже формувались у центрі галактик. Звертаючись до цього, команда вчених з SISSA запропонувала нову модель, яка пропонує можливе пояснення.
Для їх вивчення, яким керував Люмен Боко - кандидат наук. студент з Інституту фундаментальної фізики Всесвіту (ІФПУ) - команда розпочала з відомого факту, що СМБХ ростуть у центральних регіонах ранніх галактик. Ці об’єкти, потомки еліптичних галактик, мали дуже високу концентрацію газу та надзвичайно інтенсивну швидкість утворення нових зірок.
Перші покоління зірок у цих галактиках були недовгими і швидко еволюціонували в чорні діри, які були порівняно невеликими, але значущими за кількістю. Густий газ, який їх оточував, призвів до значного динамічного тертя і змусив їх швидко мігрувати до центру галактики. Тут вони об'єдналися, щоб створити насіння надмасивних чорних дір - які з часом повільно зростали.
Як пояснила дослідницька група в недавньому прес-релізі SISS:
«За класичними теоріями, надмірна чорна діра виростає в центрі галактики, що захоплює навколишнє речовина, головним чином газ,« вирощуючи »на себе і, нарешті, пожираючи його в ритмі, пропорційному його масі. З цієї причини під час початкових фаз свого розвитку, коли маса чорної діри невелика, зростання відбувається дуже повільно. Наскільки, згідно з розрахунками, щоб досягти спостережуваної маси в мільярди разів більше, ніж Сонце, знадобиться дуже тривалий час, навіть більший, ніж вік молодої Всесвіту ».
Однак оригінальна математична модель, яку вони розробили, показала, що процес формування центральних чорних дір може бути дуже швидким на своїх початкових етапах. Це не тільки дає пояснення існуванню насіння SMBH у ранньому Всесвіті, але й узгоджує терміни їх зростання з відомим віком Всесвіту.
Коротше кажучи, їх дослідження показало, що процес міграції та злиття ранніх чорних дір може призвести до створення насіння SMBH від 10 000 до 100 000 сонячних мас всього за 50-100 мільйонів років. Як пояснила команда:
"[T] зростання центральної чорної діри відповідно до вищезгаданого прямого накопичення газу, передбаченого стандартною теорією, стане дуже швидким, тому що кількість газу, який він вдасться залучити та поглинути, стане величезним і переважатиме на процес, який ми пропонуємо. Тим не менш, саме той факт, що починається з такого великого насіння, як передбачено нашим механізмом, прискорює глобальне зростання надмасивної чорної діри і дозволяє її утворитися, також у Молодому Всесвіті. Коротше кажучи, з огляду на цю теорію, ми можемо констатувати, що через 800 мільйонів років після Великого вибуху надмасивні чорні діри могли вже заселяти Космос ».
Окрім запропонованої робочої моделі для спостережуваних насіння SMBH, команда також запропонувала метод її тестування. З одного боку, існують гравітаційні хвилі, які могли б викликати ці злиття, які можна ідентифікувати за допомогою гравітаційних детекторів хвиль на кшталт Advanced LIGO / Virgo і які характеризуються майбутнім телескопом Ейнштейна.
Крім того, наступні етапи розвитку СМББ - це те, що можна було б дослідити за допомогою таких місій, як Лазерна інтерферометрова космічна антена ESA (LISA), яка, як очікується, запуститься близько 2034 року. Великий міліметровий / субміліметровий масив (ALMA) для вирішення ще однієї таємниці щодо галактик, тому деякі мають струмені, а інші - ні.
Ці швидкоплинні потоки іонізованої речовини, які рухаються з релятивістською швидкістю (часткою швидкості світла), спостерігали, що виходять з центру деяких галактик. Ці струмені були пов'язані зі швидкістю утворення у зірках галактики через те, як вони виганяють речовину, яка в іншому випадку розвалиться, утворюючи нові зірки. Іншими словами, ці струмені відіграють певну роль в еволюції галактик, подібно до SMBH.
З цієї причини астрономи прагнули дізнатися більше про те, як з часом взаємодіяли струмені чорних дір та газоподібні хмари. На жаль, було важко спостерігати подібні взаємодії протягом раннього Всесвіту. Використовуючи великий міліметровий / субміліметровий масив Atacama (ALMA), команді астрономів вдалося отримати перше вирішене зображення порушених газоподібних хмар, що надходять із дуже далекого квазару.
Дослідження, що описує їхні висновки, очолюване професором Каїкі Таро Інуе з Університету Кіндая, нещодавно з'явилося в Листи астрофізичного журналу. Як пояснили Інуе та його колеги, дані ALMA виявили молоді біполярні струмені, що виходили з MG J0414 + 0534, квазара, розташованого приблизно в 11 мільярдів світлових років від Землі. Ці дані показують, що галактики зі СМБК та реактивними струменями існували, коли Великому вибуху було менше 3 мільярдів років.
Окрім ALMA, команда спиралася на техніку, відому як гравітаційне лінзування, де сила тяжіння втручається галактики збільшує світло, що надходить з далекого об’єкта. Завдяки цьому «космічному телескопу» та високій роздільній здатності ALMA команда змогла спостерігати порушені газоподібні хмари навколо MG J0414 + 0534 та визначити, що вони були спричинені молодими струменями, що випливали із СМББ у центрі галактики.
Як пояснив Куїчіро Наканісі, доцент проекту в Національній астрономічній обсерваторії Японії / SOKENDAI, у прес-релізі ALMA:
"Комбінуючи цей космічний телескоп та спостереження високої роздільної здатності ALMA, ми отримали надзвичайно різкий зір, тобто в 9000 разів краще, ніж зір людини. Завдяки цій надзвичайно високій роздільній здатності нам вдалося отримати розподіл та рух газоподібних хмар навколо струменів, викинутих із надмасивної чорної діри ».
Ці спостереження також показали, що газ зазнав удару там, де він дотримувався напрямку струменів, внаслідок чого частинки бурхливо рухаються та прискорюються до швидкості до 600 км / с (370 м / с). Більше того, ці уражені газоподібні хмари та самі струмені були набагато меншими, ніж розміри типової для цього віку галактики.
Виходячи з цього, команда зробила висновок, що вони були свідками дуже ранньої фази еволюції струменя в галактиці MG J0414 + 0534. Якщо це правда, ці спостереження дозволили команді стати свідком ключового еволюційного процесу в галактиках під час раннього Всесвіту. Як підсумував Інуе:
«MG J0414 + 0534 - відмінний приклад через молодість струменів. Ми знайшли очевидні докази значної взаємодії струменів та газоподібних хмар навіть у дуже ранній еволюційній фазі струменів. Я думаю, що наше відкриття прокладе шлях для кращого розуміння еволюційного процесу галактик у ранньому Всесвіті ».
Разом ці дослідження демонструють, що два найпотужніших астрономічних явища у Всесвіті виникли раніше, ніж очікувалося. Це відкриття також надає астрономам можливість дослідити, як ці явища еволюціонували з часом, і яку роль вони відігравали в еволюції Всесвіту.
