V posledných niekoľkých desaťročiach sa astronómovia mohli pozerať ďalej do vesmíru (a tiež späť v čase), takmer k samotným začiatkom vesmíru. Týmto sa veľa naučili o niektorých z prvých galaxií vo vesmíre a ich následnom vývoji. Stále však existujú určité veci, ktoré sú stále mimo hraníc, napríklad keď sa prvýkrát objavili galaxie so supermasívnymi čiernymi dierami (SMBH) a masívnymi prúdmi.
Podľa nedávnych štúdií Medzinárodnej školy pre pokročilé štúdie (SISSA) a tímu astronómov z Japonska a Taiwanu poskytujú nový pohľad na to, ako sa supermasívne čierne diery začali formovať len 800 miliónov rokov po Veľkom tresku a relativistické prúdy menej ako 2 miliardy rokov. po. Tieto výsledky sú súčasťou rastúceho prípadu, ktorý ukazuje, ako sa masívne objekty v našom vesmíre tvorili skôr, ako sme si mysleli.
Astronómovia poznajú SMBH viac ako pol storočia. Postupom času si uvedomili, že väčšina masívnych galaxií (vrátane Mliečnej dráhy) ich má vo svojich jadrách. Úloha, ktorú zohrávajú pri vývoji galaxií, bola tiež predmetom štúdie, pričom moderní astronómovia dospeli k záveru, že priamo súvisia s rýchlosťou tvorby hviezd v galaxiách.
Podobne astronómovia zistili, že SMBH majú okolo seba pevné disky, kde sa plyn a prach zrýchľujú blízko rýchlosti svetla. To spôsobí, že stred niektorých galaxií sa stane tak jasným - čo sa nazýva aktívne galaktické jadro (AGN) - že zatienia hviezdy na svojich diskoch. V niektorých prípadoch tieto narastajúce disky tiež vedú k prúdom horúceho materiálu, ktorý je možné vidieť od miliárd svetelných rokov.
Podľa konvenčných modelov nemali galaxie dosť času na rozvoj centrálnych čiernych dier, keď bol vesmír mladší ako miliarda rokov (asi pred 13 miliardami rokov). Nedávne pozorovania však ukázali, že čierne diery sa už v tom čase formovali v strede galaxií. Tím vedcov zo SISSA pri riešení tohto problému navrhol nový model, ktorý ponúka možné vysvetlenie.
Za štúdium, ktoré viedol Lumen Boco - Ph.D. študent z Ústavu fundamentálnej fyziky vesmíru (IFPU) - tím začal známym faktom, že SMBH rastú v centrálnych oblastiach skorých galaxií. Tieto objekty, dnes tvorcovia eliptických galaxií, mali veľmi vysokú koncentráciu plynu a extrémne intenzívnu tvorbu nových hviezd.
Prvé generácie hviezd v týchto galaxiách boli krátkodobé a rýchlo sa vyvinuli na čierne diery, ktoré boli relatívne malé, ale ich počet bol významný. Hustý plyn, ktorý ich obklopoval, viedol k výraznému dynamickému treniu a spôsobil ich rýchlu migráciu do stredu galaxie. Tu sa spojili, aby vytvorili semená supermasívnych čiernych dier - ktoré postupom času pomaly rástli.
Ako výskumný tím vysvetlil v nedávnej tlačovej správe spoločnosti SISS:
„Podľa klasických teórií rastie v strede galaxie supermasívna čierna diera, ktorá zachytáva okolitú hmotu, hlavne plyn,„ rastie “na seba a nakoniec ju pohlcuje v rytme, ktorý je úmerný jej hmotnosti. Z tohto dôvodu, v počiatočných fázach svojho vývoja, keď je hmotnosť čiernej diery malá, je rast veľmi pomalý. Do tej miery, že podľa výpočtov bude na dosiahnutie pozorovanej hmotnosti miliárd krát to Slnko, bude potrebný veľmi dlhý čas, ešte väčší ako vek mladého Vesmíru. “
Pôvodný matematický model, ktorý vyvinuli, však ukázal, že proces formovania stredných čiernych dier by mohol byť v počiatočných fázach veľmi rýchly. Toto nielenže vysvetľuje existenciu semien SMBH v ranom vesmíre, ale tiež zosúlaďuje načasovanie ich rastu so známym vekom vesmíru.
V krátkosti ich štúdia ukázala, že proces migrácie a zlúčenia skorých čiernych dier môže viesť k vytvoreniu SMBH semena 10 000 až 100 000 slnečných hmôt len za 50 až 100 miliónov rokov. Ako tím vysvetlil:
„Rast centrálnej čiernej diery podľa vyššie uvedeného priameho hromadenia plynu, predpokladaného štandardnou teóriou, bude veľmi rýchly, pretože množstvo plynu, ktoré sa mu podarí prilákať a absorbovať, sa stane obrovským a prevláda nad proces, ktorý navrhujeme. Avšak skutočnosť, že sa vychádza z takého veľkého semena, aké predpokladá náš mechanizmus, urýchľuje globálny rast supermasívnej čiernej diery a umožňuje jej formovanie aj v Mladom vesmíre. Stručne povedané, vo svetle tejto teórie môžeme konštatovať, že 800 miliónov rokov po Veľkom tresku by sa v Kosmoch mohli vyskytnúť supermasívne čierne diery. “
Okrem navrhovania pracovného modelu pre pozorované semená SMBH tím navrhol aj metódu na jeho testovanie. Na jednej strane existujú gravitačné vlny, ktoré by tieto zlúčenia spôsobili, ktoré by bolo možné identifikovať pomocou detektorov gravitačnej vlny, ako je Advanced LIGO / Virgo, a charakterizovaných budúcim Einsteinovým ďalekohľadom.
Okrem toho je ďalšou fázou vývoja SMBH niečo, čo by sa dalo skúmať pomocou misií, ako je napríklad laserová interferometrická vesmírna anténa ESA (LISA), ktorá sa má spustiť okolo roku 2034. V podobnom duchu nedávno použil Atacama ďalší tím astronómov. Veľký milimeter / submilimeter Array (ALMA) na oslovenie iného tajomstva o galaxiách, čo je dôvod, prečo niektoré majú trysky a iné nie.
Tieto rýchlo sa pohybujúce prúdy ionizovanej hmoty, ktoré sa pohybujú relativistickými rýchlosťami (zlomok rýchlosti svetla), boli pozorované vychádzajúce zo stredu niektorých galaxií. Tieto prúdy boli spojené s rýchlosťou tvorby hviezd v galaxii kvôli spôsobu, akým vylučujú materiál, ktorý by sa inak zrútil, aby vytvorili nové hviezdy. Inými slovami, tieto prúdy hrajú úlohu pri vývoji galaxií, podobne ako SMBH.
Z tohto dôvodu sa astronómovia snažili dozvedieť sa viac o tom, ako v priebehu času interagovali prúdy čiernych dier a plynné oblaky. Bohužiaľ bolo ťažké pozorovať tieto interakcie počas raného vesmíru. Použitím Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) sa tímu astronómov podarilo získať prvý rozlíšený obraz narušených plynných oblakov pochádzajúcich z veľmi vzdialeného kvasaru.
Štúdia, ktorá popisuje ich zistenia, ktorú viedla prof. Kaiki Taro Inoue z Kindai University, sa nedávno objavila na internete Astrofyzikálny časopis. Ako vysvetlil Inoue a jeho kolegovia, údaje ALMA odhalili mladé bipolárne prúdy vychádzajúce z MG J0414 + 0534, kvasaru vzdialeného približne 11 miliárd svetelných rokov od Zeme. Tieto zistenia ukazujú, že galaxie s SMBH a prúdmi existovali, keď bol Veľký tresk starý ako 3 miliardy rokov.
Okrem ALMA sa tím spoliehal na techniku známu ako gravitačné šošovky, pri ktorej gravitácia zasahujúcej galaxie zväčšuje svetlo prichádzajúce zo vzdialeného objektu. Vďaka tomuto „kozmickému ďalekohľadu“ a vysokému rozlíšeniu ALMA bol tím schopný pozorovať rušené plynné oblaky okolo MG J0414 + 0534 a zistiť, že boli spôsobené mladými prúdmi vychádzajúcimi z SMBH v strede galaxie.
Ako Kouichiro Nakanishi, projektový docent na Národnom astronomickom observatóriu Japonska / SOKENDAI, vysvetlil v tlačovej správe ALMA:
„Kombináciou tohto kozmického teleskopu a pozorovaní ALMA vo vysokom rozlíšení sme získali mimoriadne ostré videnie, ktoré je 9 000-krát lepšie ako ľudský zrak. S týmto extrémne vysokým rozlíšením sa nám podarilo získať distribúciu a pohyb plynných mrakov okolo trysiek vyhodených z superhmotnej čiernej diery. “
Tieto pozorovania tiež ukázali, že plyn bol ovplyvnený tam, kde sledoval smer prúdov, čo spôsobilo, že častice sa prudko pohybovali a zrýchľovali sa na rýchlosti až 600 km / s (370 mps). Navyše tieto nárazové plynné oblaky a samotné trysky boli oveľa menšie ako veľkosť typickej galaxie v tomto veku.
Tím dospel k záveru, že boli svedkami veľmi ranej fázy vývoja lúčov v galaxii MG J0414 + 0534. Ak je to pravda, tieto pozorovania umožnili tímu byť svedkom kľúčového vývojového procesu v galaxiách počas raného vesmíru. Ako Inoue zhrnul:
„MG J0414 + 0534 je vynikajúcim príkladom kvôli mladosti trysiek. Zistili sme presvedčivé dôkazy o významnej interakcii medzi prúdmi a plynnými mrakmi dokonca aj vo veľmi ranej vývojovej fáze prúdov. Myslím si, že náš objav pripraví pôdu pre lepšie pochopenie evolučného procesu galaxií v ranom vesmíre. “
Tieto štúdie dokazujú, že dva z najmocnejších astronomických javov vo vesmíre sa objavili skôr, ako sa očakávalo. Tento objav tiež poskytuje astronómom príležitosť preskúmať, ako sa tieto javy vyvíjali v priebehu času, a úlohu, ktorú hrali pri vývoji vesmíru.
