Ζευγάρι γιγαντιαίων κβάζαρ ανακαλύφθηκε στο πρώιμο Σύμπαν

Ανακαλύφθηκε το πιο μακρινό ζευγάρι κβάζαρ στο Σύμπαν – Δύο μαύρες τρύπες με απίστευτη μάζα

Μια εκπληκτική ανακάλυψη έρχεται να αμφισβητήσει τις σημερινές γνώσεις για την προέλευση και την εξέλιξη του Σύμπαντος. Μια διεθνής ομάδα αστρονόμων εντόπισε το αρχαιότερο και πιο μακρινό ζευγάρι συμπαγών κβάζαρ που έχει παρατηρηθεί ποτέ, αποτελούμενο από δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, οι οποίες υπήρχαν μόλις 900 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Η μάζα τους είναι τόσο μεγάλη σε σχέση με την ηλικία του Σύμπαντος εκείνη την εποχή, ώστε αποτελεί ένα άλυτο ακόμη πρόβλημα για τα θεωρητικά μοντέλα που περιγράφουν τον σχηματισμό των πρώτων κοσμικών δομών. Το σύστημα, με την επιστημονική ονομασία J1602+4228AB και το προσωνύμιο Ναποβαουαενακαουλούα (Nāpōwawāʻenakaulua), αποτελείται από δύο κβάζαρ που απέχουν μεταξύ τους περίπου 18.100 έτη φωτός, μια εξαιρετικά μικρή απόσταση σε γαλαξιακή κλίμακα.

Η μεγαλύτερη από τις δύο μαύρες τρύπες έχει μάζα ίση με 1,5 δισεκατομμύρια Ήλιους, ενώ η δεύτερη φτάνει περίπου τα 400 εκατομμύρια ηλιακές μάζες. Η ανακάλυψη έγινε χάρη στις παρατηρήσεις του τηλεσκοπίου Gemini North, που βρίσκεται στο ανενεργό ηφαίστειο Μαουνακέα στη Χαβάη, και του διαστημικού τηλεσκοπίου Τζέιμς Γουέμπ (JWST).

Τη μελέτη συντόνισε η Σίλβια Ονοράτο, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο NSF NOIRLab, και δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό The Astrophysical Journal Letters.

Δύο υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες όταν το Σύμπαν ήταν μόλις 900 εκατομμυρίων ετών

Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της ανακάλυψης αφορά τη χρονική περίοδο κατά την οποία παρατηρήθηκαν τα δύο αντικείμενα. Μόλις 900 εκατομμύρια χρόνια μετά τη γέννηση του Σύμπαντος, τα πρώτα άστρα, οι γαλαξίες και οι μαύρες τρύπες βρίσκονταν ακόμη στα αρχικά στάδια της εξέλιξής τους.

Ωστόσο, τα δύο κβάζαρ είχαν ήδη αποκτήσει μεγέθη συγκρίσιμα με εκείνα των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών που υπάρχουν σήμερα στο Σύμπαν. Η ύπαρξή τους δημιουργεί θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με τους μηχανισμούς ανάπτυξης των μαύρων τρυπών και τον χρόνο που απαιτείται για να συγκεντρώσουν τόσο μεγάλες ποσότητες ύλης.

Τα διαθέσιμα θεωρητικά μοντέλα δεν προσφέρουν ακόμη οριστική εξήγηση για τον σχηματισμό τόσο ογκωδών αντικειμένων σε τόσο σύντομο χρονικό διάστημα.

Η Σίλβια Ονοράτο επισημαίνει τη δυσκολία ερμηνείας του φαινομένου: «Δεν υπάρχει ακόμη οριστική θεωρητική εξήγηση για το πώς θα μπορούσε να υπάρχει έστω και ένα από αυτά τα γιγαντιαία κβάζαρ σε τόσο πρώιμο στάδιο της ιστορίας του Σύμπαντός μας, πόσο μάλλον δύο».

Η ερευνήτρια προσθέτει: «Παρατηρήσαμε το Ναποβαουαενακαουλούα σε μια εποχή κατά την οποία το Σύμπαν είχε μόλις το ένα δέκατο τρίτο της σημερινής του ηλικίας και, παραδόξως, οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες του έχουν μάζες συγκρίσιμες με εκείνες των μαύρων τρυπών που παρατηρούμε σήμερα».

Το σύστημα παρατηρήθηκε, πράγματι, όταν το Σύμπαν είχε φτάσει μόλις στο ένα δέκατο τρίτο της σημερινής του ηλικίας. Η ταυτόχρονη παρουσία δύο τόσο μεγάλων μαύρων τρυπών αποτελεί, επομένως, μια ιδιαίτερα σημαντική πρόκληση για την κατανόηση του σχηματισμού των πρώτων γαλαξιών.

Τι είναι ένα κβάζαρ και γιατί μπορεί να λάμπει περισσότερο από έναν ολόκληρο γαλαξία;

Για να γίνει κατανοητή η σημασία της ανακάλυψης, πρέπει να εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά των κβάζαρ, τα οποία συγκαταλέγονται στα πιο ενεργειακά αντικείμενα του Σύμπαντος.

Πρόκειται για εξαιρετικά φωτεινούς γαλαξιακούς πυρήνες, οι οποίοι τροφοδοτούνται από τη συσσώρευση ύλης γύρω από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Κατά το πρώτο δισεκατομμύριο χρόνια της κοσμικής ιστορίας, το Σύμπαν πέρασε μια περίοδο έντονου σχηματισμού δομών. Οι άλω σκοτεινής ύλης κατέρρεαν, οι πρώτοι γαλαξίες άρχισαν να δημιουργούν νέες γενιές άστρων και οι πιο ογκώδεις γαλαξιακές δομές φιλοξενούσαν τις πρώτες μεγάλες μαύρες τρύπες στα κέντρα τους.

Οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ γαλαξιών, οι συγκρούσεις και οι συγχωνεύσεις συνέβαλαν στη διοχέτευση μεγάλων ποσοτήτων αερίου και άστρων προς τις κεντρικές περιοχές αυτών των συστημάτων.

Ένα μέρος της ύλης που συσσωρευόταν γύρω από τις μαύρες τρύπες μετατρεπόταν σε ενέργεια, δημιουργώντας μια φωτεινότητα τόσο έντονη, ώστε ξεπερνούσε τη συνολική φωτεινότητα των άστρων του γαλαξία που τις φιλοξενούσε.

Αυτή ακριβώς η εξαιρετικά ισχυρή ενεργειακή εκπομπή καθιστά τα κβάζαρ ορατά ακόμη και σε τεράστιες κοσμολογικές αποστάσεις. Η φωτεινότητά τους επιτρέπει στους αστρονόμους να ερευνούν ιδιαίτερα μακρινές εποχές και να ανασυνθέτουν τις φυσικές συνθήκες που επικρατούσαν στα πρώτα στάδια της εξέλιξης του Σύμπαντος.

Το πιο συμπαγές ζευγάρι κβάζαρ που έχει ανακαλυφθεί στην κοσμική αυγή

Το Ναποβαουαενακαουλούα δεν είναι μόνο το πιο μακρινό ζευγάρι κβάζαρ που έχει εντοπιστεί μέχρι σήμερα, αλλά και εκείνο με τη μικρότερη απόσταση μεταξύ των δύο μελών του, ανάμεσα στα αντίστοιχα συστήματα που έχουν ανακαλυφθεί στην εποχή που είναι γνωστή ως κοσμική αυγή.

Τα δύο αντικείμενα βρίσκονται σε απόσταση περίπου 18.100 ετών φωτός, η οποία αντιστοιχεί περίπου στο ένα πέμπτο της διαμέτρου του Γαλαξία μας.

Οι αστρονόμοι εκτιμούν ότι τα ζευγάρια κβάζαρ πρέπει να είναι σχετικά συνηθισμένα στο Σύμπαν, καθώς οι αλληλεπιδράσεις και οι συγχωνεύσεις γαλαξιών αποτελούν συχνά φαινόμενα.

Όταν δύο γαλαξίες αλληλεπιδρούν, οι κεντρικές μαύρες τρύπες τους μπορούν επίσης να περάσουν ταυτόχρονα από περιόδους έντονης τροφοδοσίας με ύλη, με αποτέλεσμα και οι δύο να γίνουν ορατές ως κβάζαρ.

Ωστόσο, ο εντοπισμός τέτοιων ζευγών είναι εξαιρετικά δύσκολος. Η περίοδος κατά την οποία μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα εκδηλώνεται ως κβάζαρ έχει σχετικά μικρή διάρκεια. Επιπλέον, τα αρχαιότερα αντικείμενα βρίσκονται σε τεράστιες αποστάσεις και η χαμηλή φαινόμενη φωτεινότητά τους δυσκολεύει τις παρατηρήσεις από τη Γη.

Μια επιπλέον δυσκολία προκύπτει από τη φαινομενική εγγύτητα των δύο μελών: όταν δύο κβάζαρ απέχουν σχετικά λίγο μεταξύ τους, απαιτούνται ιδιαίτερα ευαίσθητα όργανα για να διαχωριστούν ως δύο διαφορετικές πηγές φωτός, καθώς και ευνοϊκές συνθήκες παρατήρησης.

Πριν από αυτή την ανακάλυψη, είχαν ήδη εντοπιστεί άλλα ζευγάρια κβάζαρ που χρονολογούνται από την κοσμική αυγή. Το Ναποβαουαενακαουλούα είναι το τρίτο γνωστό σύστημα αυτής της κατηγορίας, αλλά ξεχωρίζει λόγω της εξαιρετικά πρώιμης εποχής στην οποία υπήρχε και της ιδιαίτερα μικρής απόστασης μεταξύ των δύο αντικειμένων.

Η ανακάλυψη έγινε χάρη στο διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ και το πρόγραμμα Aether

Το σύστημα εντοπίστηκε μέσω της ανάλυσης δεδομένων από το Aether, ένα πρόγραμμα παρατηρήσεων με το διαστημικό τηλεσκόπιο Τζέιμς Γουέμπ, το οποίο συντονίζει ο Εμανουέλε Πάολο Φαρίνα, αναπληρωτής επιστήμονας στο NSF NOIRLab/Gemini.

Στόχος του προγράμματος είναι η καταγραφή των αντικειμένων που υπήρχαν στο πρώιμο Σύμπαν, με τη συγκέντρωση πληροφοριών για τις φυσικές ιδιότητες και την κατανομή τους κατά τα πρώτα στάδια της κοσμικής ιστορίας.

Χρησιμοποιώντας τη μονάδα ολοκληρωμένου πεδίου του φασματογράφου εγγύς υπερύθρου του Τζέιμς Γουέμπ, το πρόγραμμα συγκέντρωσε ένα δείγμα 200 κβάζαρ, που αντιστοιχεί στο 43% του συνόλου των γνωστών κβάζαρ αυτής της περιόδου στην εξέλιξη του Σύμπαντος.

Κατά την οπτική εξέταση των δεδομένων που συγκεντρώθηκαν στο πλαίσιο του προγράμματος, οι ερευνητές αναγνώρισαν ένα απροσδόκητο στοιχείο: το κβάζαρ που είχε ήδη καταγραφεί με την ονομασία J1602+4228A είχε έναν συνοδό.

Η παρουσία της δεύτερης πηγής μετέτρεψε το αρχικά παρατηρούμενο αντικείμενο σε ένα σύστημα ιδιαίτερου επιστημονικού ενδιαφέροντος, το οποίο απαιτούσε περαιτέρω επιβεβαίωση με τη χρήση ανεξάρτητων οργάνων.

Οι παρατηρήσεις με το Gemini North αποκάλυψαν δύο διαφορετικά κβάζαρ

Για να διερευνήσουν περαιτέρω τη φύση του συστήματος, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν τον φασματογράφο εγγύς υπερύθρου Gemini (GNIRS), ο οποίος είναι εγκατεστημένος στο τηλεσκόπιο Gemini North.

Οι παρατηρήσεις επέτρεψαν τον διαχωρισμό των δύο συστατικών του συστήματος, τα οποία αναγνωρίστηκαν ως J1602+4228A και J1602+4228B.

Το αποτέλεσμα είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς η δεύτερη πηγή, J1602+4228B, είναι εξαιρετικά αμυδρή και βρίσκεται πολύ κοντά στην πρώτη. Υπό συνηθισμένες συνθήκες, ο διαχωρισμός των δύο αντικειμένων μέσω παρατηρήσεων από την επιφάνεια της Γης θα ήταν σχεδόν αδύνατος.

Καθοριστικό ρόλο έπαιξαν οι εξαιρετικά ευνοϊκές ατμοσφαιρικές συνθήκες πάνω από το Μαουνακέα, οι οποίες επέτρεψαν τη συγκέντρωση δεδομένων υψηλής ποιότητας σε σχετικά σύντομο χρονικό διάστημα.

Η Ονοράτο περιγράφει τις συνθήκες που κατέστησαν δυνατή την παρατήρηση: «Ο ουρανός πάνω από το Μαουνακέα ήταν τόσο καθαρός, ώστε καταφέραμε να συγκεντρώσουμε όλα τα δεδομένα μέσα σε μόλις δύο νύχτες».

Η συλλογή των δεδομένων απαίτησε μόλις δύο νύχτες παρατηρήσεων.

Περαιτέρω μετρήσεις με τη χρήση του φασματογράφου πολλαπλών αντικειμένων Gemini (GMOS) βοήθησαν στον ακριβέστερο προσδιορισμό των φυσικών ιδιοτήτων του ζεύγους.

Το Gemini North είναι ένα από τα δύο τηλεσκόπια του Διεθνούς Αστεροσκοπείου Gemini, μιας διεθνούς επιστημονικής συνεργασίας υπό την ηγεσία του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ, με τη συμμετοχή του Καναδά, της Χιλής, της Βραζιλίας, της Αργεντινής και της Δημοκρατίας της Κορέας. Το αστεροσκοπείο λειτουργεί υπό την ευθύνη του NSF NOIRLab.

Γιατί η ανακάλυψη μπορεί να αλλάξει όσα γνωρίζουμε για τον σχηματισμό των πρώτων γαλαξιών

Η παρουσία δύο υπερμεγέθων μαύρων τρυπών με τόσο μεγάλη μάζα στο πρώιμο Σύμπαν υποδηλώνει ότι ορισμένες κοσμικές περιοχές βίωσαν ιδιαίτερα έντονες διαδικασίες συσσώρευσης ύλης.

Οι συγγραφείς της μελέτης προτείνουν ότι το Ναποβαουαενακαουλούα ενδέχεται να αποτελεί ένδειξη της παρουσίας μιας ακραίας κορυφής στην κατανομή της πυκνότητας της ύλης στο νεαρό Σύμπαν.

Σε ένα τέτοιο περιβάλλον, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ γαλαξιών θα μπορούσαν να ευνοήσουν ταυτόχρονα δύο θεμελιώδη φαινόμενα: τον σχηματισμό νέων άστρων και την επιταχυνόμενη ανάπτυξη των κεντρικών μαύρων τρυπών.

Οι συγκρούσεις και οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν και τις δύο διαδικασίες, διοχετεύοντας μεγάλες ποσότητες ύλης στους γαλαξιακούς πυρήνες και συμβάλλοντας στην ανάπτυξη των πρώτων μεγάλων κοσμικών δομών.

Πρόκειται, ωστόσο, για μια ερμηνεία που προτείνει η ερευνητική ομάδα και όχι για μια οριστική αναπαράσταση των γεγονότων.

Η πλήρης προέλευση του συστήματος παραμένει άγνωστη και απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση.

Η επιστημονική σημασία της ανακάλυψης βρίσκεται επίσης στη δυνατότητα παρατήρησης δύο ενεργών γαλαξιακών πυρήνων στο ίδιο κοσμικό περιβάλλον, σε μια εποχή κατά την οποία οι διαδικασίες που θα οδηγούσαν στον σχηματισμό μεγάλων γαλαξιών βρίσκονταν ακόμη σε εξέλιξη.

Η Ονοράτο υπογραμμίζει τη σημασία αυτής της ευκαιρίας: «Το Ναποβαουαενακαουλούα αποτελεί ένα πραγματικά μοναδικό περιβάλλον».

Και προσθέτει: «Είναι ένα φυσικό εργαστήριο που επιτρέπει στους αστρονόμους να μελετήσουν πώς σχηματίστηκαν και εξελίχθηκαν οι πρώτοι μεγάλοι γαλαξίες και οι μαύρες τρύπες που βρίσκονται στα κέντρα τους, μέσα από τις άμεσες αλληλεπιδράσεις μεταξύ γαλαξιών, στα πρώτα στάδια της ιστορίας του Σύμπαντος».

Ναποβαουαενακαουλούα: Τι σημαίνει το όνομα που δόθηκε στο ζευγάρι των κβάζαρ

Στο ζευγάρι των κβάζαρ δόθηκε το χαβανέζικο όνομα Ναποβαουαενακαουλούα (Nāpōwawāʻenakaulua), το οποίο επιλέχθηκε για να αποτυπώσει την εξαιρετική φύση των δύο αντικειμένων και τη σύνδεσή τους με τα ενεργειακά φαινόμενα του Σύμπαντος.

Το όνομα δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος A Hua He Inoa, που αναπτύχθηκε στο Αστρονομικό Κέντρο ʻImiloa της Χαβάης και στο Κολέγιο Χαβανέζικης Γλώσσας Ka Haka ʻUla O Keʻelikōlani του Πανεπιστημίου της Χαβάης.

Η μετάφρασή του είναι: «Δύο ουράνια σώματα απύθμενου σκοταδιού και αμέτρητης δύναμης, λουσμένα στη λάμψη της θερμότητας, που μεταμορφώνουν την ενέργεια και την εκπέμπουν ξανά στο Σύμπαν».

Η σημασία του ονόματος παραπέμπει σε δύο ουράνια σώματα που χαρακτηρίζονται από ένα απέραντα ισχυρό σκοτάδι, αλλά μέσω της θερμότητας και της φωτεινότητάς τους επιστρέφουν ενέργεια στο Σύμπαν.

Η αναφορά περιγράφει συμβολικά τη φυσική συμπεριφορά των κβάζαρ: παρά την παρουσία των μαύρων τρυπών, από τις οποίες το φως δεν μπορεί να διαφύγει πέρα από τον ορίζοντα γεγονότων, η ύλη που τροφοδοτεί αυτά τα αντικείμενα μπορεί να παράγει εξαιρετικά ισχυρές ενεργειακές εκπομπές.

Ένα κοσμικό εργαστήριο για τη μελέτη της ανάπτυξης των πρώτων υπερμεγέθων μαύρων τρυπών

Η ανακάλυψη του J1602+4228AB προσφέρει στους αστρονόμους μια ιδιαίτερα σπάνια ευκαιρία να εμβαθύνουν στη σχέση μεταξύ της εξέλιξης των γαλαξιών, των βαρυτικών αλληλεπιδράσεων και της συσσώρευσης ύλης στις μαύρες τρύπες, κατά το πρώτο δισεκατομμύριο χρόνια του Σύμπαντος.

Η παρατήρηση δύο διαφορετικών κβάζαρ, τα οποία τροφοδοτούνται ενεργά με ύλη και βρίσκονται σε σχετικά μικρή απόσταση μεταξύ τους, επιτρέπει την ανάλυση ενός περιβάλλοντος στο οποίο ο σχηματισμός των γαλαξιακών δομών και η ανάπτυξη των αντίστοιχων υπερμεγέθων πυρήνων τους θα μπορούσαν να συνδέονται στενά.

Το σύστημα αποτελεί επίσης ένα σημαντικό πεδίο δοκιμής για τα κοσμολογικά μοντέλα που επιχειρούν να ανασυνθέσουν τις συνθήκες που απαιτήθηκαν για τον σχηματισμό των πρώτων γιγαντιαίων μαύρων τρυπών.

Το κεντρικό επιστημονικό ερώτημα αφορά τον ρυθμό με τον οποίο αυτά τα αντικείμενα κατάφεραν να συσσωρεύσουν ύλη.

Δύο μαύρες τρύπες με μάζες 1,5 δισεκατομμυρίων και 400 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών αντίστοιχα, οι οποίες υπήρχαν ήδη όταν το Σύμπαν ήταν μόλις 900 εκατομμυρίων ετών, καθιστούν αναγκαία τη βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών που ευθύνονται για την ανάπτυξή τους.

Οι παρατηρήσεις με τα τηλεσκόπια Τζέιμς Γουέμπ και Gemini North επέτρεψαν τον εντοπισμό και τον χαρακτηρισμό ενός ζεύγους που μέχρι πρότινος είχε διαφύγει από τις αστρονομικές έρευνες.

Ωστόσο, το θεωρητικό πρόβλημα του σχηματισμού του παραμένει αναπάντητο, αποτελώντας ένα από τα σημαντικότερα ερωτήματα που προκύπτουν από τη μελέτη του πρώιμου Σύμπαντος.