V posledních několika desetiletích se astronomové mohli dívat dále do vesmíru (a také zpět v čase), téměř k počátkům vesmíru. Tím se hodně naučili o některých z nejranějších galaxií ve vesmíru a jejich následném vývoji. Stále však existují určité věci, které jsou stále neomezené, například když se poprvé objevily galaxie se superhmotnými černými dírami (SMBH) a masivními tryskami.
Podle nedávných studií Mezinárodní školy pro pokročilá studia (SISSA) a týmu astronomů z Japonska a Tchaj-wanu poskytují nový pohled na to, jak se supermasivní černé díry začaly tvořit pouhých 800 milionů let po Velkém třesku a relativistické trysky méně než 2 miliardy let. po. Tyto výsledky jsou součástí rostoucího případu, který ukazuje, jak se masivní objekty v našem vesmíru tvořily dříve, než jsme si mysleli.
Astronomové vědí o SMBH více než půl století. Postupem času si uvědomili, že většina masivních galaxií (včetně Mléčné dráhy) je má ve svých jádrech. Role, kterou hrají při vývoji galaxií, byla také předmětem studia, přičemž moderní astronomové dospěli k závěru, že přímo souvisí s rychlostí formování hvězd v galaxiích.
Podobně astronomové zjistili, že SMBH mají kolem sebe těsné diskety, kde se plyn a prach zrychlují téměř na rychlost světla. To způsobí, že střed některých galaxií bude tak jasný - tzv. Aktivní galaktická jádra (AGN) - že zastíní hvězdy na svých discích. V některých případech tyto akreční disky také vedou k proudům horkého materiálu, který je vidět z miliard světelných let daleko.
Podle konvenčních modelů neměly galaxie dostatek času na rozvoj centrálních černých děr, když byl vesmír mladší než miliarda let (asi před 13 miliardami let). Nedávná pozorování však ukázala, že v té době se ve středu galaxií vytvářely černé díry. Při řešení tohoto problému navrhl tým vědců ze SISSA nový model, který nabízí možné vysvětlení.
Za studium, které vedl Lumen Boco - Ph.D. student z Ústavu pro základní fyziku vesmíru (IFPU) - tým začal známou skutečností, že SMBH rostou v centrálních regionech raných galaxií. Tyto objekty, dnešní předchůdci eliptických galaxií, měly velmi vysokou koncentraci plynu a extrémně intenzivní rychlost tvorby nových hvězd.
První generace hvězd v těchto galaxiích byly krátkodobé a rychle se vyvinuly do černých děr, které byly relativně malé, ale početné. Hustý plyn, který je obklopoval, vedl k výraznému dynamickému tření a přiměl je, aby rychle migrovali do středu galaxie. Zde se sloučily a vytvořily semena superhmotných černých děr - které postupem času pomalu rostly.
Jak výzkumný tým vysvětlil v nedávné tiskové zprávě SISS:
„Podle klasických teorií roste ve středu galaxie supermasivní černá díra zachycující okolní hmotu, hlavně plyn,„ ji pěstuje “a nakonec ji pohlcuje v rytmu, který je úměrný její hmotnosti. Z tohoto důvodu, v počátečních fázích svého vývoje, kdy je hmotnost černé díry malá, je růst velmi pomalý. Do té míry, že podle výpočtů, aby se dosáhlo pozorované hmotnosti, by bylo zapotřebí miliardkrát větší množství než Slunce, bude vyžadována velmi dlouhá doba, ještě větší než věk mladého vesmíru. “
Původní matematický model, který vyvinuli, však ukázal, že proces formování středních černých děr může být v jeho počátečních fázích velmi rychlý. Toto nabízí nejen vysvětlení pro existenci semen SMBH v raném vesmíru, ale také sladí načasování jejich růstu se známým věkem vesmíru.
Stručně řečeno, jejich studie ukázala, že proces migrace a slučování časných černých děr může vést k vytvoření semene SMBH 10 000 až 100 000 solárních hmot během pouhých 50–100 milionů let. Jak tým vysvětlil:
„Růst střední černé díry podle výše uvedeného přímého nárůstu plynu, předpokládaného standardní teorií, bude velmi rychlý, protože množství plynu, které se mu podaří přilákat a absorbovat, bude ohromné a převládající na proces, který navrhujeme. Přesná skutečnost, že začínáme od tak velkého semene, jaké předpokládá náš mechanismus, však urychluje globální růst supermasivní černé díry a umožňuje její formování, a to i v Mladém vesmíru. Stručně řečeno, s ohledem na tuto teorii můžeme konstatovat, že 800 milionů let po Velkém třesku by mohly Kosmos osídlit supermasivní černé díry. “
Kromě návrhu pracovního modelu pro pozorovaná semena SMBH tým také navrhl metodu pro jeho testování. Na jedné straně existují gravitační vlny, které by tato sloučení způsobila, které by bylo možné identifikovat pomocí detektorů gravitačních vln, jako je Advanced LIGO / Virgo, a charakterizovaných budoucím Einsteinovým dalekohledem.
Kromě toho jsou následné vývojové fáze SMBH něco, co by bylo možné zkoumat pomocí misí, jako je ESA Interferometer Space Antenna (LISA), která by měla být spuštěna kolem roku 2034. V podobném duchu nedávno použil Atacama další tým astronomů Velké milimetrové / submilimetrové pole (ALMA) k oslovení dalšího tajemství o galaxiích, proto některé mají trysky a jiné ne.
Tyto rychle se pohybující proudy ionizované hmoty, které se pohybují relativistickými rychlostmi (zlomek rychlosti světla), byly pozorovány vyzařující ze středu některých galaxií. Tyto trysky byly spojeny s rychlostí formování hvězd v galaxii kvůli způsobu, jakým vylučují hmotu, která by se jinak zhroutila a vytvořila nové hvězdy. Jinými slovy, tyto trysky hrají roli ve vývoji galaxií, podobně jako SMBH.
Z tohoto důvodu se astronomové snažili dozvědět se více o tom, jak trysky černé díry a plynné mraky v průběhu času reagovaly. Bohužel bylo obtížné pozorovat tyto interakce během raného vesmíru. Použitím Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) se týmu astronomů podařilo získat první vyřešený obraz narušených plynných mraků přicházejících z velmi vzdáleného kvasaru.
Studie, která popisuje jejich zjištění, vedená prof. Kaiki Taro Inoue z Kindai University, se nedávno objevila na Astrofyzikální deníky. Jak vysvětlil Inoue a jeho kolegové, data ALMA odhalila mladé bipolární trysky vycházející z MG J0414 + 0534, kvazaru vzdáleného přibližně 11 miliard světelných let od Země. Tato zjištění ukazují, že galaxie s SMBH a tryskami existovaly, když byl Velký třesk méně než 3 miliardy let.
Kromě ALMA se tým spoléhal na techniku známou jako gravitační čočky, kde gravitace zasahující galaxie zvětšuje světlo přicházející ze vzdáleného objektu. Díky tomuto „kosmickému dalekohledu“ a vysokému rozlišení ALMA byl tým schopen pozorovat rušené plynné mraky kolem MG J0414 + 0534 a určit, že byly způsobeny mladými tryskami vycházejícími z SMBH ve středu galaxie.
Jak Kouichiro Nakanishi, docent projektu na Národní astronomické observatoři Japonska / SOKENDAI, vysvětlil v tiskové zprávě ALMA:
„Kombinací tohoto kosmického dalekohledu a pozorování ALMA s vysokým rozlišením jsme získali mimořádně ostré vidění, které je 9 000krát lepší než lidské zraky. S tímto extrémně vysokým rozlišením jsme byli schopni dosáhnout distribuce a pohybu plynných mraků kolem trysek vystřelených z superhmotné černé díry. “
Tato pozorování také ukázala, že plyn byl ovlivněn tam, kde sledoval směr trysek, což způsobilo, že se částice prudce pohybovaly a zrychlovaly se na rychlosti až 600 km / s (370 mps). Navíc tyto dopadající plynné mraky a samotné trysky byly mnohem menší než velikost typické galaxie v tomto věku.
Z toho tým dospěl k závěru, že byli svědky velmi rané fáze vývoje paprsků v galaxii MG J0414 + 0534. Pokud je to pravda, tato pozorování umožnila týmu být svědkem klíčového evolučního procesu v galaxiích během raného vesmíru. Jak shrnula Inoue:
„MG J0414 + 0534 je skvělým příkladem kvůli mládí trysek. Objevili jsme výpovědné důkazy o významné interakci mezi tryskami a plynnými oblaky i ve velmi rané vývojové fázi trysek. Myslím, že náš objev připraví cestu pro lepší pochopení evolučního procesu galaxií v raném vesmíru. “
Společně tyto studie ukazují, že dva z nejmocnějších astronomických jevů ve vesmíru se objevily dříve, než se očekávalo. Tento objev také poskytuje astronomům příležitost prozkoumat, jak se tyto jevy vyvíjely v průběhu času, a roli, kterou hrály ve vývoji vesmíru.
