Díky nesmírně vylepšeným schopnostem dnešních dalekohledů astronomové zkoumali hlouběji do vesmíru a dále zpět v čase. Mohli tak oslovit několik dlouhotrvajících záhad o vývoji vesmíru od Velkého třesku. Jednou z těchto záhad je to, jak se během raného vesmíru formovaly supermasivní černé díry (SMBH), které hrají klíčovou roli ve vývoji galaxií.
S využitím velmi velkého dalekohledu ESO (VLT) v Chile pozoroval mezinárodní tým astronomů galaxie, které se objevily asi 1,5 miliardy let po Velkém třesku (asi 12,5 miliardy let). Překvapivě pozorovali velké nádrže chladného plynného vodíku, které mohly poskytnout dostatečný „potravinový zdroj“ pro SMBH. Tyto výsledky by mohly vysvětlit, jak SMBH rostly v období známém jako Kosmický úsvit tak rychle.
Emanuele Paolo Farina z Institutu Maxe Plancka pro astronomii (MPIA) a Institutu Maxe Plancka pro astrofyziku (MPA). Připojili se k němu vědci z MPIA a MPA, Evropské jižní observatoře (ESO), UC Santa Barbara, Arcetriho astrofyzikální observatoře, Astrofyzikální a kosmické vědy v Bologni a Institutu Maxe Plancka pro mimozemskou fyziku (MPEP).
Po celá desetiletí astronomové studují SMBH, které existují v jádru většiny galaxií a jsou identifikovány svými aktivními galaktickými jádry (AGN). Tato jádra, známá také jako kvazary, mohou emitovat více energie a světla než ostatní hvězdy v galaxii dohromady. Doposud nejvzdálenějším je ULAS J1342 + 0928, který je vzdálen 13,1 miliardy světelných let.
Vzhledem k tomu, že se odhaduje, že první hvězdy se vytvořily pouhých 100 000 let po Velkém třesku (asi před 13,8 miliardami let), znamená to, že SMBH se musely rychle vytvořit z prvních hvězd, aby zemřely. Až dosud však astronomové nenašli prach a plyn v dostatečném množství během raného vesmíru, aby vysvětlili tento rychlý růst.
Kromě toho předchozí pozorování prováděná s Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) odhalila, že rané galaxie obsahovaly hodně prachu a plynu, což pohánělo rychlou tvorbu hvězd. Tato zjištění naznačovala, že by nebylo tolik materiálu, který by zbyl na krmení černých děr, což jen prohloubilo tajemství toho, jak příliš rychle rostly.
Při řešení tohoto problému spoléhal Farina a jeho kolegové na údaje shromážděné pomocí přístroje VUSE Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), aby provedli průzkum 31 kvasarů ve vzdálenosti asi 12,5 miliard světelných let (a tak pozorovali, jak vypadali před 12,5 miliardami let). Díky tomu je jejich průzkum jedním z největších vzorků kvasarů z tohoto raného období vesmíru. Nalezli 12 rozšířených a překvapivě hustých vodíkových mraků.
Tyto vodíkové mraky byly identifikovány podle jejich charakteristické záře v UV světle. Vzhledem k vzdálenosti a účinku červeného posunu (kde je vlnová délka světla natažena kvůli kosmické expanzi), pozemské teleskopy vnímají záři jako červené světlo. Jak Farina vysvětlila v tiskové zprávě MPIA:
“Nejpravděpodobnějším vysvětlením pro zářící plyn je mechanismus fluorescence. Vodík přeměňuje energeticky bohaté záření kvasaru na světlo se specifickou vlnovou délkou, což je patrné zábleskem.”
Mraky chladného a hustého vodíku - které byly několik miliardkrát větší než Slunce - vytvořily kolem prvních galaxií halo, které se táhlo 100 000 světelných let od centrálních černých děr. Obvykle je detekování takových mraků kolem kvasarů (které jsou intenzivně jasné) poměrně obtížné. Ale díky citlivosti nástroje MUSE - který Farina označila jako „měnič her“ - jej našel poměrně rychle.
Jako Alyssa Drakeová, výzkumnice s MPIA, která také přispěla ke studii, uvedla:
“Se současnými studiemi teprve začínáme zkoumat, jak se první superhmotné černé díry dokázaly tak rychle vyvinout. Ale nové nástroje jako MUSE a budoucí James Webb Space Telescope nám pomáhají řešit tyto vzrušující hádanky.”
Tým zjistil, že tyto plynové halo byly pevně vázány na galaxie a poskytovaly perfektní „potravinový zdroj“, který udržoval rychlou tvorbu hvězd i růst superhmotných černých děr. Tato pozorování účinně řeší záhadu, jak by mohly supermasivní černé díry existovat tak brzy v historii vesmíru. Jak to shrne Farina:
“Nyní dokážeme poprvé prokázat, že pravěké galaxie mají ve svém prostředí dost jídla, aby udržely jak růst superhmotných černých děr, tak energickou tvorbu hvězd. To přidává zásadní kousek do hádanky, kterou astronomové staví, aby si představili, jak se kosmické struktury tvořily před více než 12 miliardami let.”
V budoucnu budou mít astronomové ještě sofistikovanější nástroje, s nimiž budou studovat galaxie a SMBH v ranném vesmíru, což by mělo odhalit ještě více podrobností o prastarých oblacích plynu. To zahrnuje extrémně velký dalekohled ESO (ELT) a kosmické dalekohledy jako je James Webb Space Telescope (JWST).
Studie popisující zjištění týmu se objevila v 20. prosincovém vydání Astrofyzikální deník.
