Οι επιστήμονες ανακάλυψαν μια μαύρη τρύπα που φαίνεται να παραβιάζει τους κανόνες της αστροφυσικής

Κάπου στο μέλλον υπάρχει η «γραμμή τερματισμού» στον μαραθώνιο της κατανόησης των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών (SMBHs).

Δεν μπορούμε να πούμε πόσο κοντά βρισκόμαστε σε αυτήν ούτε ποια θα είναι τα τελικά συμπεράσματα. Ωστόσο, οι αστροφυσικοί συνεχίζουν την προσπάθεια, πεπεισμένοι ότι με κάθε νέο ορόσημο πλησιάζουν όλο και περισσότερο στην απάντηση.

Χρησιμοποιώντας το James Webb Space Telescope (JWST), ερευνητές εντόπισαν τώρα μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα με μάζα περίπου 50 εκατομμυρίων φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου, η οποία φαίνεται να προϋπήρχε του γαλαξία που τη φιλοξενεί.

Η ανακάλυψη αυτή αμφισβητεί ευθέως όσα πιστεύαμε ότι γνωρίζουμε για τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.

Οι αστροφυσικοί θεωρούσαν — ή τουλάχιστον πίστευαν ότι θεωρούσαν — πως η ανάπτυξη μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας ακολουθεί περίπου την εξής διαδικασία: ένα πολύ μεγάλης μάζας άστρο μέσα σε έναν γαλαξία καταρρέει και μετατρέπεται σε μαύρη τρύπα στο τέλος της ζωής του.

Στη συνέχεια, αυτή η μαύρη τρύπα αστρικής μάζας μεγαλώνει απορροφώντας (προσαυξάνοντας) την ύλη που βρίσκεται γύρω της και συγχωνευόμενη με άλλες μαύρες τρύπες αστρικής μάζας που εξελίσσονται με παρόμοιο τρόπο.

Οι γαλαξίες επίσης συγχωνεύονται μεταξύ τους, οδηγώντας και τις μαύρες τρύπες που φιλοξενούν σε συγχώνευση. Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η διαδικασία δημιουργεί μεγάλους γαλαξίες με υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που μπορούν να φτάσουν μάζες δισεκατομμυρίων φορές μεγαλύτερες από εκείνη του Ήλιου.

Παρέμενε βέβαια κάπως μυστηριώδες το πώς οι μικρές μαύρες τρύπες αστρικής μάζας μπορούσαν να αποτελέσουν τους «σπόρους» για τόσο γιγάντιες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, όμως η βασική εικόνα της διαδικασίας θεωρούνταν κατανοητή. Ή τουλάχιστον έτσι πιστεύαμε.

Τώρα όμως, καθώς το James Webb Space Telescope εντόπισε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που φαίνεται να προϋπήρχε του γαλαξία της, προκύπτουν νέα ερωτήματα που απαιτούν απαντήσεις.

Η ανακάλυψη παρουσιάζεται σε δύο νέες επιστημονικές μελέτες. Η πρώτη, με τίτλο «A direct black-hole mass measurement in a little red dot at high redshift», δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature. Επικεφαλής συγγραφέας είναι ο Ignas Juodžbalis από το Kavli Institute for Cosmology του University of Cambridge.

Η δεύτερη μελέτη, με τίτλο «A black hole in a near pristine galaxy 700 Myr after the big bang», δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Επικεφαλής συγγραφέας είναι ο Roberto Maiolino, επίσης από το Kavli Institute του Κέιμπριτζ. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι επικεφαλής συγγραφείς κάθε μελέτης συμμετέχουν και ως συν-συγγραφείς στην άλλη.

«Πρόκειται για ένα αξιοσημείωτο εύρημα», δήλωσε ο Μαϊολίνο σε σχετική ανακοίνωση.

«Είναι μια αλλαγή παραδείγματος, μια πλήρης αναθεώρηση των κλασικών σεναρίων για το πώς σχηματίζονται και εξελίσσονται οι μαύρες τρύπες».

Η ανακάλυψη προέκυψε από παρατηρήσεις του αντικειμένου Abell2744-QSO1, ενός χαρακτηριστικού μέλους της κατηγορίας των λεγόμενων «Little Red Dots» (Μικρές Κόκκινες Κηλίδες), το οποίο υπήρχε μόλις 700 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang).

Παρά το μικρό του μέγεθος — μόλις 1.300 έτη φωτός σε διάμετρο — το συγκεκριμένο αντικείμενο της κατηγορίας Little Red Dot μπορεί να παρατηρηθεί με μεγάλη λεπτομέρεια.

Αυτό συμβαίνει επειδή το φως του υφίσταται βαρυτικό φακό από το σμήνος γαλαξιών Abell 2744, γνωστό και ως «Σμήνος της Πανδώρας». Το φαινόμενο αυτό όχι μόνο μεγεθύνει το QS01, αλλά δημιουργεί και τρεις διαφορετικές εικόνες του.

Πριν από τη νέα έρευνα, οι αρχικές παρατηρήσεις έδειχναν ότι το QS01 δεν ήταν τίποτε περισσότερο από ένα νέφος αερίων που φιλοξενούσε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα μάζας περίπου 40 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών.

Ωστόσο, η μέτρηση της μάζας της δεν θεωρούνταν βέβαιη, επειδή οι αστρονόμοι δεν ήταν συνηθισμένοι να εντοπίζουν τόσο μεγάλες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε τόσο πρώιμο στάδιο της ιστορίας του Σύμπαντος.

«Μέχρι σήμερα, όλες οι μετρήσεις της μάζας μαύρων τρυπών στο πρώιμο Σύμπαν ήταν έμμεσες και βασίζονταν σε υποθέσεις που προέρχονται από όσα γνωρίζουμε για τις μαύρες τρύπες στο κοντινό μας Σύμπαν. Δεν γνωρίζαμε αν αυτές οι υποθέσεις ισχύουν πραγματικά και για το μακρινό Σύμπαν», δήλωσε ο συγγραφέας Francesco D'Eugenio, από το Πανεπιστήμιο του Cambridge.

Αν η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα (SMBH) ήταν πράγματι τόσο μεγάλη, τότε θα έπρεπε να επηρεάζει το περιβάλλον αέριο με τρόπο που να μπορεί να μετρηθεί.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τη μονάδα ολοκληρωμένου φασματογράφου (Integrated Field Unit) του οργάνου NIRSpec στο James Webb Space Telescope, προκειμένου να προσδιορίσουν τη βαρυτική επίδραση της μαύρης τρύπας στο γύρω αέριο και να χαρτογραφήσουν τα διάφορα χημικά στοιχεία που υπάρχουν σε αυτό.

Οι μετρήσεις αποκάλυψαν ότι η μαύρη τρύπα έχει μάζα περίπου 50 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών, δηλαδή 10 εκατομμύρια περισσότερες από ό,τι είχε αρχικά εκτιμηθεί.

Οι παρατηρήσεις έδειξαν επίσης κάτι ακόμη πιο εντυπωσιακό: η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα αποτελεί ένα τεράστιο ποσοστό της συνολικής μάζας του γαλαξία της, κάτι που δεν παρατηρείται στους γαλαξίες του τοπικού Σύμπαντος.

Όπως αναφέρουν οι συγγραφείς της πρώτης μελέτης: «Το QSO1 βρίσκεται κατά τάξεις μεγέθους πάνω από τις τοπικές σχέσεις κλιμάκωσης και είναι περίπου δέκα φορές πιο υπερμεγέθες ακόμη και από τις πιο ακραίες πηγές που έχουν εντοπιστεί μέχρι σήμερα από το JWST».

Με άλλα λόγια, η μαύρη τρύπα του Abell2744-QSO1 είναι δυσανάλογα μεγάλη σε σχέση με τον γαλαξία που τη φιλοξενεί, γεγονός που ενισχύει την υπόθεση ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ίσως σχηματίζονται και αναπτύσσονται πριν ακόμη ολοκληρωθεί ο σχηματισμός των ίδιων των γαλαξιών τους.

«Για τα περισσότερα θεωρητικά μοντέλα είναι δύσκολο να εξηγήσουν την ύπαρξη ενός τόσο χημικά ανώριμου συστήματος που φιλοξενεί μια μαύρη τρύπα ήδη τόσο μεγάλης μάζας», εξηγούν οι συγγραφείς στη δεύτερη μελέτη. «Πρόκειται για ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα», δήλωσε ο Roberto Maiolino.

«Είναι η πρώτη άμεση μέτρηση της μάζας μιας μαύρης τρύπας μέσα στο πρώτο δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και είναι συμβατή με τις προηγούμενες εκτιμήσεις.»

Παρότι οι νέες μετρήσεις δείχνουν ότι η μαύρη τρύπα έχει μάζα 50 εκατομμυρίων και όχι 40 εκατομμυρίων ηλιακών μαζών, αυτό δεν αλλάζει ουσιαστικά το βασικό συμπέρασμα των παρατηρήσεων του James Webb Space Telescope: ότι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες υπήρχαν ήδη σε εξαιρετικά πρώιμες εποχές του Σύμπαντος.

Ωστόσο, η ανακάλυψη παρέχει ισχυρές ενδείξεις ότι οι μαύρες τρύπες δεν αναπτύσσονται με τον τακτικό και ιεραρχικό τρόπο που πίστευαν μέχρι σήμερα οι αστροφυσικοί.

Με άλλα λόγια, το εύρημα υποδηλώνει ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ίσως μπορούν να σχηματίζονται ή να αναπτύσσονται πολύ πιο γρήγορα από ό,τι προβλέπουν τα κλασικά μοντέλα, ενδεχομένως ακόμη και πριν οι γαλαξίες που τις περιβάλλουν αποκτήσουν το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους. Αυτό αναγκάζει τους επιστήμονες να επανεξετάσουν τις υπάρχουσες θεωρίες για την εξέλιξη τόσο των μαύρων τρυπών όσο και των πρώτων γαλαξιών του Σύμπαντος.

Διαβάστε επίσης