Pateicoties ievērojami uzlabotajām mūsdienu teleskopu iespējām, astronomi ir meklējuši dziļāk kosmosā un atpakaļ laikā. To darot, viņi ir spējuši pievērsties dažiem seniem noslēpumiem par to, kā Visums attīstījās kopš Lielā sprādziena. Viens no šiem noslēpumiem ir tas, kā supermasīvie melnie caurumi (SMBH), kuriem ir izšķiroša loma galaktiku evolūcijā, veidojas agrīnā Visuma laikā.
Izmantojot ESO ļoti lielo teleskopu (VLT) Čīlē, starptautiska astronomu komanda novēroja galaktikas, kā tās parādījās apmēram 1,5 miljardus gadu pēc Lielā sprādziena (aptuveni pirms 12,5 miljardiem gadu). Pārsteidzoši, ka viņi novēroja lielus vēsa ūdeņraža gāzes rezervuārus, kas varēja nodrošināt pietiekamu “barības avotu” SMBH. Šie rezultāti varētu izskaidrot, kā SMBH pieauga tik strauji laika posmā, kas pazīstams kā Kosmiskā rītausma.
Komandu vadīja Dr Emanuele Paolo Farina no Maksa Planka astronomijas institūta (MPIA) un Maks Planka astrofizikas institūta (MPA). Viņam pievienojās gan MPIA, gan MPA, Eiropas Dienvidu observatorijas (ESO), UC Santa Barbara, Arcetri astrofizikas observatorijas, Boloņas Astrofizikas un kosmosa zinātnes observatorijas un Maks Planka Ārpuszemes fizikas institūta (MPEP) pētnieki.
Gadu desmitiem astronomi ir pētījuši SMBH, kas pastāv lielākajā daļā galaktiku un ir identificēti ar aktīvajiem galatiskajiem kodoliem (AGN). Šie kodoli, kurus sauc arī par kvazāriem, var izstarot vairāk enerģijas un gaismas nekā pārējās zvaigznes kopā galaktikā. Līdz šim visattālākais novērotais ir ULAS J1342 + 0928, kas atrodas 13,1 miljarda gaismas gadu attālumā.
Tā kā tiek lēsts, ka pirmās zvaigznes ir izveidojušās tikai 100 000 gadu pēc Lielā sprādziena (aptuveni pirms 13,8 miljardiem gadu), tas nozīmē, ka SMBH bija jāveido ātri no pirmajām zvaigznēm, lai nomirtu. Tomēr līdz šim astronomi agrīnā Visuma laikā nebija atraduši pietiekami daudz putekļu un gāzes, lai izskaidrotu šo straujo izaugsmi.
Turklāt iepriekšējie novērojumi, kas veikti ar Atacama lielo milimetru / submilimetru masīvu (ALMA), atklāja, ka agrīnajās galaktikās bija daudz putekļu un gāzes, kas veicināja ātru zvaigžņu veidošanos. Šie atklājumi liecināja, ka melno caurumu pabarošanai nebūtu palicis daudz materiālu, kas tikai padziļināja noslēpumu par to, kā tie pārāk ātri pieauga.
Lai to risinātu, Farina un viņa kolēģi paļāvās uz datiem, ko apkopojis VLT Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) instruments, lai apsekotu 31 kvazaru aptuveni 12,5 miljardu gaismas gadu attālumā (tādējādi novērojot, kādi tie izskatījās pirms 12,5 miljardiem gadu). Tas padara viņu aptauju par vienu no lielākajiem kvazāru paraugiem no šī agrīnā Visuma perioda. Viņi atrada 12 pagarinātus un pārsteidzoši blīvus ūdeņraža mākoņus.
Šie ūdeņraža mākoņi tika identificēti pēc raksturīgā mirdzuma UV gaismā. Ņemot vērā attālumu un sarkanās nobīdes efektu (kur gaismas viļņa garums ir izstiepts kosmiskās izplešanās dēļ), zemes teleskopi uztver mirdzumu kā sarkanu gaismu. Kā Farina paskaidroja MPIA paziņojumā presei:
“Visticamākais spīdošās gāzes izskaidrojums ir fluorescences mehānisms. Ūdeņradis pārveido ar enerģiju bagāto kvazārā starojumu gaismā ar noteiktu viļņa garumu, ko var pamanīt ar mirdzumu.”
Ap vēstures, blīvā ūdeņraža mākoņiem, kas vairākus miljardus reižu pārsniedza Saules masu, ap agrīnajām galaktikām izveidojās halos, kas no centrālajiem melnajiem caurumiem izvirzījās 100 000 gaismas gadu garumā. Parasti šādus mākoņus ap kvazāriem (kas ir intensīvi spilgti) atklāt diezgan grūti. Bet, pateicoties MUSE instrumenta jutīgumam - kuru Farina raksturoja kā “spēles mainītāju” - komanda tos atrada diezgan ātri.
Kā sacīja Olsa Drake, MPIA pētniece, kas arī piedalījās pētījumā:
“Ar pašreizējiem pētījumiem mēs tikai sākam pētīt, kā pirmie supermasīvie melnie caurumi spēja tik strauji attīstīties. Bet jauni instrumenti, piemēram, MUSE un nākotnes Džeimsa Veba kosmiskais teleskops, palīdz mums atrisināt šīs aizraujošās mīklas.”
Komanda atklāja, ka šīs gāzveida halogenas ir cieši saistītas ar galaktikām, nodrošinot perfektu “pārtikas avotu”, lai uzturētu gan ātru zvaigžņu veidošanos, gan supermasīvo melno caurumu augšanu. Šie novērojumi efektīvi atrisina noslēpumu par to, kā tik agri Visuma vēsturē varēja pastāvēt supermasīvi melnie caurumi. Kā Farina to apkopo:
“Tagad mēs pirmo reizi varam parādīt, ka pirmatnējām galaktikām to vidē ir pietiekami daudz barības, lai uzturētu gan supermasīvu melno caurumu augšanu, gan enerģisku zvaigžņu veidošanos.. Tas pievieno pamatjautājumu mīklai, kuru astronomi veido, lai parādītu, kā kosmiskās struktūras izveidojās pirms vairāk nekā 12 miljardiem gadu.”
Nākotnē astronomiem būs vēl sarežģītāki instrumenti, ar kuriem pētīt galaktikas un SMBH agrīnajā Visumā, kuriem vajadzētu atklāt vēl sīkāku informāciju par senajiem gāzes mākoņiem. Tas ietver ESO ārkārtīgi lielo teleskopu (ELT), kā arī kosmosa teleskopus, piemēram, Džeimsa Veba kosmisko teleskopu (JWST).
Pētījums, kurā aprakstīti komandas atklājumi, parādījās 20. decembra numurā Astrofizikas žurnāls.
