Pēdējās desmitgadēs astronomi ir spējuši ieskatīties dziļāk Visumā (un arī laikā) gandrīz līdz pašiem Visuma pirmsākumiem. To darot, viņi ir daudz uzzinājuši par dažām agrākajām Visuma galaktikām un to turpmāko attīstību. Tomēr joprojām ir dažas lietas, kurām joprojām ir robežas, piemēram, kad pirmo reizi parādījās galaktikas ar supermasīviem melnajiem caurumiem (SMBH) un masīvām strūklām.
Saskaņā ar nesenajiem Starptautiskās progresīvo studiju skolas (SISSA) un Japānas un Taivānas astronomu komandas pētījumiem tiek sniegts jauns ieskats par to, kā supermasīvie melnie caurumi sāka veidoties tikai 800 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena, un relativistiskās strūklas mazāk nekā 2 miljardus gadu pēc. Šie rezultāti ir daļa no pieaugošā gadījuma, kas parāda, cik masīvi objekti mūsu Visumā izveidojās ātrāk, nekā mēs domājām.
Astronomi ir zinājuši par SMBH vairāk nekā pusgadsimtu. Laika gaitā viņi saprata, ka lielākajā daļā masveida galaktiku (ieskaitot Piena ceļu) tās atrodas kodolā. Pētījuma objekts ir arī viņu loma galaktiku evolūcijā, mūsdienu astronomiem secinot, ka tie ir tieši saistīti ar zvaigžņu veidošanās ātrumu galaktikās.
Tāpat astronomi ir noskaidrojuši, ka SMBH ap tiem ir stingri akreces diski, kur gāze un putekļi tiek paātrināti līdz gaismas ātrumam. Tas izraisa to, ka dažu galaktiku centrs kļūst tik gaišs - tos sauc par aktīvajiem galaktikas kodoliem (AGN) -, ka tie pārspēj zvaigznes diskos. Dažos gadījumos šie iesūkšanas diski noved pie karsta materiāla strūklām, kuras var redzēt no miljardiem gaismas gadu attālumā.
Saskaņā ar parastajiem modeļiem galaktikām nebija pietiekami daudz laika, lai izveidotu centrālos melnos caurumus, kad Visums bija mazāk nekā miljardu gadu vecs (apmēram pirms 13 miljardiem gadu). Tomēr jaunākie novērojumi parādīja, ka tolaik galaktiku centrā jau veidojās melnie caurumi. Risinot to, SISSA zinātnieku grupa ierosināja jaunu modeli, kas piedāvā iespējamu skaidrojumu.
Par viņu pētījumu, kuru vadīja Lumen Boco - Ph.D. students no Visuma Fundamentālās fizikas institūta (IFPU) - komanda sāka ar labi zināmo faktu, ka SMBH aug agrīno galaktiku centrālajos reģionos. Šiem objektiem, kas šodien bija eliptisku galaktiku priekšteči, bija ļoti augsta gāzes koncentrācija un ārkārtīgi intensīvs jaunu zvaigžņu veidošanās ātrums.
Pirmo zvaigžņu paaudze šajās galaktikās bija īslaicīga un ātri pārtapa melnajos caurumos, kas bija salīdzinoši mazi, taču nozīmīgi. Blīvā gāze, kas viņus ieskāva, izraisīja ievērojamu dinamisku berzi un lika viņiem ātri migrēt uz galaktikas centru. Šeit viņi saplūda, izveidojot supermasīvu melno caurumu sēklas, kas laika gaitā lēnām pieauga.
Kā pētnieku grupa paskaidroja nesenajā SISS paziņojumā presei:
“Saskaņā ar klasiskajām teorijām galaktikas centrā aug supermasīvs melnais caurums, kas uztver apkārtējo vielu, galvenokārt gāzi,“ audzē ”to sev un, visbeidzot, izēd to ritmā, kas ir proporcionāls tā masai. Šī iemesla dēļ sākotnējās attīstības fāzēs, kad melnā cauruma masa ir maza, augšana ir ļoti lēna. Ciktāl saskaņā ar aprēķiniem sasniegtā novērotā masa, kas miljardiem reižu pārsniedz Sauli, būtu vajadzīgs ļoti ilgs laiks, pat lielāks nekā jaunā Visuma vecums. ”
Tomēr viņu izstrādātais oriģinālais matemātiskais modelis parādīja, ka centrālo melno caurumu veidošanās process sākotnējās fāzēs var būt ļoti ātrs. Tas ne tikai piedāvā izskaidrojumu par SMBH sēklu esamību agrīnajā Visumā, bet arī saskaņo to augšanas laiku ar zināmo Visuma vecumu.
Īsāk sakot, viņu pētījums parādīja, ka agrīno melno caurumu migrācijas un apvienošanās process var izraisīt SMBH sēklu izveidi no 10 000 līdz 100 000 saules masu tikai 50–100 miljonu gadu laikā. Kā skaidroja komanda:
“Centrālā melnā cauruma pieaugums saskaņā ar iepriekš minēto tiešo gāzes uzkrāšanos, ko paredz standarta teorija, kļūs ļoti straujš, jo gāzes daudzums, kuru to izdosies piesaistīt un absorbēt, kļūs milzīgs un pārsvarā uz process, kuru mēs ierosinām. Neskatoties uz to, tieši tas, ka sākam no tik lielas sēklas, kā to paredz mūsu mehānisms, paātrina supermasīvā melnā cauruma globālo augšanu un ļauj tam veidoties, arī Jaunajā Visumā. Īsāk sakot, ņemot vērā šo teoriju, mēs varam apgalvot, ka 800 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena supermasīvie melnie caurumi jau varēja apdzīvot Kosmosu. ”
Papildus ierosinātajam novēroto SMBH sēklu darba modelim, komanda ierosināja arī metodi tā pārbaudei. No vienas puses, pastāv gravitācijas viļņi, kurus šī apvienošanās varētu izraisīt, kurus varētu identificēt, izmantojot gravitācijas viļņu detektorus, piemēram, Advanced LIGO / Virgo, un kurus raksturo nākotnes Einšteina teleskops.
Turklāt sekojošie SMBH attīstības posmi ir kaut kas tāds, ko varētu izpētīt tādas misijas kā ESA lāzera interferometra kosmosa antena (LISA), kuru paredzēts uzsākt aptuveni līdz 2034. gadam. Līdzīgā veidā cita astronomu komanda nesen izmantoja Atacama. Liela milimetru / submilimetru masīvs (ALMA), lai risinātu vēl vienu noslēpumu par galaktikām, tāpēc dažiem ir sprauslas, bet citiem nav.
Šīs ātri mainīgās jonizētās vielas plūsmas, kas pārvietojas ar relativistiskiem ātrumiem (gaismas ātruma daļu), ir novērotas, kas izplūst no dažu galaktiku centra. Šīs sprauslas ir saistītas ar galaktikas zvaigžņu veidošanās ātrumu sava veida izkliedes dēļ, kas citādi sabruks, veidojot jaunas zvaigznes. Citiem vārdiem sakot, šīm sprauslām ir liela nozīme galaktiku evolūcijā, līdzīgi kā SMBH.
Šī iemesla dēļ astronomi ir centušies uzzināt vairāk par to, kā laika gaitā mijiedarbojās melno caurumu strūklas un gāzveida mākoņi. Diemžēl šāda veida mijiedarbību agrīnā Visuma laikā ir bijis grūti novērot. Izmantojot Atacama lielo milimetru / submilimetru masīvu (ALMA), astronomu komandai izdevās iegūt pirmo izšķirtspējīgu traucētu gāzveida mākoņu attēlu, kas nāk no ļoti tāla kvazāra.
Kindai universitātes profesora Kaiki Taro Inoue vadītais pētījums, kurā aprakstīti viņu atklājumi, nesen parādījās Astrofizisko žurnālu vēstules. Kā paskaidroja Inoue un viņa kolēģi, ALMA dati atklāja jaunas bipolāras sprauslas, kas izplūst no MG J0414 + 0534 - kvazāra, kas atrodas aptuveni 11 miljardu gaismas gadu attālumā no Zemes. Šie atklājumi liecina, ka galaktikas ar SMBH un strūklām pastāvēja, kad Lielais sprādziens bija mazāk nekā 3 miljardus gadu vecs.
Papildus ALMA komanda paļāvās uz paņēmienu, kas pazīstams kā gravitācijas objektīvs, kur iejaukšanās galaktikas gravitācija palielina gaismu, kas nāk no tālu objekta. Pateicoties šim “kosmiskajam teleskopam” un augstajai ALMA izšķirtspējai, komanda spēja novērot traucētos gāzveida mākoņus ap MG J0414 + 0534 un noteikt, ka tos izraisa jaunas strūklas, kas izplūst no SMBH galaktikas centrā.
Kā ALMA paziņojumā presei paskaidroja Japānas Nacionālās astronomiskās observatorijas / SOKENDAI projekta asociētais profesors Kouichiro Nakanishi:
“Apvienojot šo kosmisko teleskopu un ALMA augstas izšķirtspējas novērojumus, mēs ieguvām ārkārtīgi asu redzi, kas ir 9000 reizes labāka nekā cilvēka redze. Ar šo ārkārtīgi augsto izšķirtspēju mēs varējām iegūt gāzveida mākoņu izplatību un kustību ap strūklu, kas izmesta no supermasīvā melnā cauruma. ”
Šie novērojumi arī parādīja, ka gāze tiek ietekmēta tur, kur tā seko sprauslu virzienam, liekot daļiņām vardarbīgi kustēties un kļūt paātrinātām līdz ātrumam līdz 600 km / s (370 mps). Turklāt tie ietekmēja gāzveida mākoņus, un pašas sprauslas bija daudz mazākas nekā tipiskas galaktikas lielums šajā vecumā.
Pēc tam komanda secināja, ka viņi ir liecinieki ļoti agrīnai reaktīvo dzinēju evolūcijas fāzei MG J0414 + 0534 galaktikā. Ja tie ir patiesi, šie novērojumi ļāva komandai novērot galveno evolūcijas procesu galaktikās agrīnā Visuma laikā. Kā Inoue apkopoja:
“MG J0414 + 0534 ir lielisks piemērs sprauslu jaunības dēļ. Mēs atradām pārliecinošus pierādījumus par nozīmīgu mijiedarbību starp sprauslām un gāzveida mākoņiem pat ļoti agrīnā sprauslu evolūcijas fāzē. Es domāju, ka mūsu atklājums pavērs ceļu labākai izpratnei par galaktiku evolūcijas procesu agrīnajā Visumā. ”
Šie pētījumi kopā parāda, ka divas visspēcīgākās Visuma astronomiskās parādības parādījās agrāk, nekā gaidīts. Šis atklājums arī sniedz astronomiem iespēju izpētīt, kā šīs parādības laika gaitā attīstījās, un to lomu Visuma evolūcijā.
