Ανατροπή στο σύμπαν: Βρέθηκε υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που φαίνεται να γεννήθηκε πριν από τον γαλαξία της

Το τηλεσκόπιο James Webb κατέγραψε στοιχεία που ανατρέπουν όσα γνωρίζαμε για τη γένεση των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών. Σύμφωνα με νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, διεθνής ομάδα αστρονόμων, με επικεφαλής τον Roberto Maiolino του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, διαπίστωσε ότι μία υπερμεγέθης μαύρη τρύπα φαίνεται να σχηματίστηκε πριν ακόμη δημιουργηθεί ο γαλαξίας που τη φιλοξενεί.

Το μυστήριο των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών

Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH) εντοπίζονται στα κέντρα των περισσότερων γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου και του Γαλαξία μας. Το βάρος τους μπορεί να φθάνει δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου, γεγονός που προκαλεί απορία στους επιστήμονες σχετικά με τον τρόπο σχηματισμού τους.

Σύμφωνα με τα επικρατέστερα μοντέλα, οι μαύρες τρύπες προκύπτουν από τα υπολείμματα εκρήξεων σουπερνόβα, όταν τεράστια άστρα φτάνουν στο τέλος της ζωής τους. Στη συνέχεια, αυξάνουν τη μάζα τους απορροφώντας αέρια από τους περιβάλλοντες δίσκους προσαύξησης, μέχρι να φτάσουν το λεγόμενο όριο Eddington, πέρα από το οποίο η ακτινοβολία απωθεί την ύλη προς το διάστημα.

Το πρόβλημα είναι ότι τέτοιες μαύρες τρύπες έχουν εντοπιστεί μόλις λίγες εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη — πολύ νωρίς, σε κοσμική κλίμακα, για να είχαν προλάβει να αναπτυχθούν υπό τους περιορισμούς του ορίου Eddington.

«Έχουν προταθεί αρκετά εναλλακτικά σενάρια», εξηγεί ο Maiolino. «Μικρές “σπόροι” μαύρες τρύπες ίσως πέρασαν από φάσεις ταχύτατης αύξησης, ή ενδιάμεσης μάζας μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν από συγχωνεύσεις άστρων. Μια άλλη εκδοχή είναι οι λεγόμενοι “βαρείς σπόροι”, όπου οι μαύρες τρύπες γεννιούνται ήδη πολύ μεγάλες».

Ένα σχεδόν παρθένο περιβάλλον

Για να διερευνήσει αυτές τις θεωρίες, η ομάδα του Κέιμπριτζ ανέλυσε το αντικείμενο QSO1, μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που υπήρχε όταν το Σύμπαν είχε ηλικία περίπου 700 εκατομμύρια χρόνια. Το QSO1 ανήκει στην κατηγορία των λεγόμενων Little Red Dots — μυστηριωδών πηγών φωτός που εντοπίστηκαν από το JWST και θεωρούνται πρωτογενείς γαλαξίες με αναδυόμενες SMBH, αν και δεν εμφανίζουν τα χαρακτηριστικά ακτίνων Χ που συνήθως συνοδεύουν τις μαύρες τρύπες.

Το συγκεκριμένο αντικείμενο επιλέχθηκε επειδή είναι βαρυτικά εστιασμένο από ένα μπροστινό σμήνος γαλαξιών, το οποίο ενισχύει το φως του και το καθιστά πιο ευδιάκριτο.

Ανασύνθεση του χημικού περιβάλλοντος

Με τη βοήθεια της λειτουργίας ολοκληρωμένου πεδίου παρατήρησης, η ομάδα κατέγραψε φάσματα σε κάθε σημείο ενός μικρού τμήματος του ουρανού. «Ο συνδυασμός υψηλής χωρικής και φασματικής ανάλυσης μας επέτρεψε να εντοπίσουμε τη “σφαίρα επιρροής” της μαύρης τρύπας, όπου η κίνηση των αερίων καθορίζεται από τη βαρύτητά της», σημειώνει ο Maiolino. «Έτσι μπορέσαμε να μετρήσουμε άμεσα τη μάζα της».

Τα ίδια δεδομένα αποκάλυψαν τη χημική σύσταση του αερίου γύρω από τη μαύρη τρύπα, μέσω των εκπομπών ιονισμένου υδρογόνου και οξυγόνου. Μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, τα πρώτα άτομα αποτελούνταν μόνο από υδρογόνο, ήλιο και ίχνη λιθίου· τα βαρύτερα στοιχεία σχηματίζονται αργότερα μέσα στα άστρα και διασκορπίζονται στο διάστημα με τις εκρήξεις σουπερνόβα.

«Διαπιστώσαμε ότι το QSO1 βρίσκεται σε περιβάλλον με εξαιρετικά χαμηλό βαθμό χημικού εμπλουτισμού», αναφέρει ο Maiolino. «Η αναλογία οξυγόνου προς υδρογόνο είναι μικρότερη από το 1% της αντίστοιχης τιμής στον Ήλιο, γεγονός που υποδηλώνει σχεδόν παρθένα σύνθεση».

Το σενάριο του “βαρέος σπόρου”

Το εύρημα αυτό δείχνει ότι γύρω από το QSO1 είχαν σχηματιστεί ελάχιστα άστρα, γεγονός που σημαίνει ότι η μαύρη τρύπα είναι πιθανότατα πολύ πιο ογκώδης από το σύστημα που την περιβάλλει. «Όλα τα στοιχεία συγκλίνουν σε ένα σενάριο όπου η μαύρη τρύπα σχηματίστηκε πριν από το μεγαλύτερο μέρος του γαλαξία της, και όχι μέσα σε έναν ήδη υπάρχοντα γαλαξία, όπως θεωρούσαμε έως τώρα», καταλήγει ο ερευνητής.

Ανάμεσα στις πιθανές θεωρίες, το αποτέλεσμα αυτό συνάδει περισσότερο με το σενάριο του “βαρέος σπόρου”, σύμφωνα με το οποίο οι μαύρες τρύπες γεννιούνται εξαρχής με τεράστια μάζα. Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι η ανακάλυψη αυτή μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για βαθύτερη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίστηκαν οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο Σύμπαν.