Vďaka výrazne vylepšeným schopnostiam dnešných ďalekohľadov astronómovia skúmali hlbšie do vesmíru a ďalej späť v čase. Týmto spôsobom dokázali osloviť niektoré dlhotrvajúce tajomstvá o vývoji vesmíru od Veľkého tresku. Jednou z týchto záhad je to, ako sa v ranom vesmíre tvorili supermasívne čierne diery (SMBH), ktoré zohrávajú kľúčovú úlohu pri vývoji galaxií.
Použitím veľmi veľkého ďalekohľadu ESO (VLT) v Čile pozoroval medzinárodný tím astronómov galaxie, keď sa objavili asi 1,5 miliardy rokov po Veľkom tresku (približne pred 12,5 miliardami rokov). Prekvapivo pozorovali veľké nádrže studeného plynného vodíka, ktoré mohli poskytnúť dostatočný „potravinový zdroj“ pre SMBH. Tieto výsledky by mohli vysvetliť, ako SMBHs rástli tak rýchlo v období známom ako Kozmický úsvit.
Emanuele Paolo Farina z Astronomického ústavu Maxa Plancka (MPIA) a Astrofyzikálneho inštitútu Maxa Plancka (MPA). Pridali sa k nemu vedci z MPIA a MPA, z Európskeho južného observatória (ESO), UC Santa Barbara, z astronomického observatória Arcetri, z observatória astrofyziky a kozmických vied v Bologni a Ústavu mimozemskej fyziky Maxa Plancka (MPEP).
Astronómovia už desaťročia študujú SMBH, ktoré existujú v jadre väčšiny galaxií a sú identifikované svojimi aktívnymi galaktickými jadrami (AGN). Tieto jadrá, ktoré sú tiež známe ako kvasary, môžu emitovať viac energie a svetla ako ostatné hviezdy v galaxii dohromady. Najdlhšou pozorovanou k dnešnému dňu je ULAS J1342 + 0928, ktorý je vzdialený 13,1 miliárd svetelných rokov.
Vzhľadom na to, že sa odhaduje, že prvé hviezdy sa vytvorili asi 100 000 rokov po Veľkom tresku (asi pred 13,8 miliardami rokov), znamená to, že SMBH museli rýchlo vzniknúť z prvých hviezd, aby zomreli. Až doteraz však astronómovia nenašli prach a plyn v dostatočnom množstve počas raného vesmíru, aby vysvetlili tento rýchly rast.
Okrem toho predchádzajúce pozorovania vykonané s Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) odhalili, že skoré galaxie obsahovali veľa prachu a plynu, čo podporovalo rýchlu tvorbu hviezd. Tieto zistenia naznačujú, že na kŕmenie čiernych dier by nezostalo veľa materiálu, čo len prehĺbilo tajomstvo toho, ako príliš rýchlo rástli.
Farina a jeho kolegovia sa pri riešení tohto problému spoliehali na údaje zozbierané prístrojom VLT Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) na prieskum 31 kvasarov vo vzdialenosti približne 12,5 miliárd svetelných rokov (pozorujúc tak, ako vyzerali pred 12,5 miliardami rokov). Vďaka tomu je ich prieskum jednou z najväčších vzoriek kvázarov z tohto raného obdobia vesmíru. Zistili, že bolo 12 rozšírených a prekvapivo hustých vodíkových mrakov.
Tieto vodíkové oblaky boli identifikované podľa ich charakteristického žiarenia v ultrafialovom svetle. Vzhľadom na vzdialenosť a účinok červeného posunu (kde je vlnová dĺžka svetla natiahnutá v dôsledku kozmického rozšírenia), pozemské teleskopy vnímajú žiaru ako červené svetlo. Ako uviedla Farina v tlačovej správe MPIA:
“Najpravdepodobnejším vysvetlením pre žiariaci plyn je mechanizmus fluorescencie. Vodík premieňa energeticky bohaté žiarenie kvasaru na svetlo so špecifickou vlnovou dĺžkou, čo je viditeľné zábleskom.”
Mraky chladného a hustého vodíka - ktorý bol niekoľkokrát miliónkrát väčší ako Slnko - vytvorili okolo prvých galaxií halo, ktoré sa tiahlo 100 000 svetelných rokov od centrálnych čiernych dier. Zisťovanie takýchto mrakov okolo kvázarov (ktoré sú intenzívne jasné) je zvyčajne ťažké. Ale vďaka citlivosti nástroja MUSE - ktorý Farina opísala ako „meniča hry“ - ich tím našiel pomerne rýchlo.
Ako vedkyňa Alyssa Drakeová, ktorá sa tiež podieľala na štúdii, uviedla:
“So súčasnými štúdiami len začíname skúmať, ako sa prvé supermasívne čierne diery dokázali rýchlo vyvinúť. Nové nástroje ako MUSE a budúci vesmírny teleskop James Webb nám však pomáhajú vyriešiť tieto vzrušujúce hádanky.”
Tím zistil, že tieto plynové halogény boli pevne viazané na galaxie, čím poskytovali dokonalý „potravinový zdroj“ na udržanie rýchlej tvorby hviezd a rastu supermasívnych čiernych dier. Tieto pozorovania účinne riešia záhadu, ako by mohli supermasívne čierne diery existovať tak skoro v histórii vesmíru. Ako to zhrňuje Farina:
“Teraz dokážeme prvýkrát demonštrovať, že praveké galaxie majú vo svojom prostredí dostatok potravy na to, aby udržali rast supermasívnych čiernych dier a intenzívnu tvorbu hviezd.. Toto pridáva zásadný kúsok puzzle, ktoré astronómovia stavajú, aby si predstavili, ako sa kozmické štruktúry vytvorili pred viac ako 12 miliardami rokov.”
V budúcnosti budú mať astronómovia ešte sofistikovanejšie nástroje na štúdium galaxií a SMBH v ranom vesmíre, ktoré by mali odhaliť ešte viac podrobností o starovekých plynových oblakoch. Zahŕňa to mimoriadne veľký ďalekohľad ESO (ELT), ako aj vesmírne teleskopy, ako napríklad James Webb Space Telescope (JWST).
Štúdia, ktorá popisuje zistenia tímu, sa objavila v 20. decembrovom vydaní The Astrofyzical Journal.
