Baby-quasarer:James Webb-rumteleskopet ser små kæmper i den dybe fortid

James Webb-rumteleskopet har gjort et af de mest uventede fund inden for dets første driftsår:Et højt antal svage små røde prikker i det fjerne univers kan ændre den måde, vi forstår tilblivelsen af ​​supermassive sorte huller på.

Forskningen, ledet af Jorryt Matthee, adjunkt i astrofysik ved Institute of Science and Technology Austria (ISTA), er nu offentliggjort i The Astrophysical Journal .

En flok små røde prikker fundet i et lille område af vores nattehimmel kan faktisk være et uventet gennembrud for James Webb Space Telescope (JWST) i løbet af dets første år af tjeneste. Disse objekter kunne ikke skelnes fra normale galakser gennem "øjnene" på det ældre Hubble-rumteleskop.

"Uden at være blevet udviklet til dette specifikke formål, hjalp JWST os med at bestemme, at svage små røde prikker - fundet meget langt væk i universets fjerne fortid - er små versioner af ekstremt massive sorte huller. Disse specielle objekter kunne ændre den måde, vi tænk på tilblivelsen af ​​sorte huller," siger Matthee, adjunkt ved Institut for Videnskab og Teknologi Østrig (ISTA), og hovedforfatter af undersøgelsen.

"De nuværende resultater kunne bringe os et skridt tættere på at besvare et af de største dilemmaer inden for astronomi:Ifølge de nuværende modeller er nogle supermassive sorte huller i det tidlige univers simpelthen vokset "for hurtigt." Hvordan blev de så dannet?"

De kosmiske point of no return

Forskere havde længe betragtet sorte huller som en matematisk kuriosum, indtil deres eksistens blev mere og mere tydelig. Disse mærkelige kosmiske bundløse gruber kunne have så kompakte masser og stærke gravitationer, at intet kan undslippe deres tiltrækningskraft; de suger alt ind, inklusive kosmisk støv, planeter og stjerner, og deformerer rummet og tiden omkring dem, så selv lys ikke kan undslippe.

Den generelle relativitetsteori, udgivet af Albert Einstein for over et århundrede siden, forudsagde, at sorte huller kunne have en hvilken som helst masse. Nogle af de mest spændende sorte huller er de supermassive sorte huller (SMBH'er), som kan nå millioner til milliarder af gange solens masse. Astrofysikere er enige om, at der er en SMBH i centrum af næsten alle store galakser. Beviset for, at Sagittarius A* er en SMBH i midten af ​​vores galakse med over fire millioner gange solens masse, fik Nobelprisen i fysik i 2020.

For massiv til at være der

Det er dog ikke alle SMBH'er, der er ens. Mens Sagittarius A* kunne sammenlignes med en sovende vulkan, vokser nogle SMBH'er ekstremt hurtigt ved at opsluge astronomiske mængder af stof. Dermed bliver de så lysende, at de kan observeres indtil kanten af ​​det stadigt ekspanderende univers. Disse SMBH'er kaldes kvasarer og er blandt de lyseste objekter i universet.

"Et problem med kvasarer er, at nogle af dem ser ud til at være alt for massive, for massive i betragtning af universets alder, hvor kvasarerne observeres. Vi kalder dem de 'problematiske kvasarer'," siger Matthee.

"Hvis vi tænker på, at kvasarer stammer fra eksplosioner af massive stjerner – og at vi kender deres maksimale væksthastighed fra fysikkens generelle love, ser nogle af dem ud, som om de er vokset hurtigere end muligt. Det er som at se på et femårigt -gammelt barn, der er to meter højt. Der er noget, der ikke stemmer,« forklarer han.

Kunne SMBH'er måske vokse endnu hurtigere, end vi oprindeligt troede? Eller dannes de anderledes?

Små versioner af gigantiske kosmiske monstre

Nu identificerer Matthee og hans kolleger en population af objekter, der vises som små røde prikker i JWST-billeder. De demonstrerer også, at disse objekter er SMBH'er, men ikke alt for massive.

Centralt for at bestemme, at disse objekter er SMBH'er, var påvisningen af ​​Hα-spektralemissionslinjer med brede linjeprofiler. Hα-linjer er spektrallinjer i det dybrøde område af synligt lys, der udsendes, når brintatomer opvarmes. Bredden af ​​spektrene sporer gassens bevægelse.

"Jo bredere bunden af ​​Hα-linjerne er, jo højere er gashastigheden. Disse spektre fortæller os således, at vi ser på en meget lille gassky, der bevæger sig ekstremt hurtigt og kredser om noget meget massivt som en SMBH," siger Matthee.

De små røde prikker er dog ikke de gigantiske kosmiske monstre, der findes i alt for massive SMBH'er.

"Mens de 'problematiske kvasarer' er blå, ekstremt lyse og når milliarder af gange solens masse, er de små røde prikker mere som 'baby-quasarer'. Deres masser ligger mellem ti og hundrede millioner solmasser. De fremstår også som røde, fordi de er støvede, og støvet skjuler de sorte huller og gør farverne røde.

Men til sidst vil udstrømningen af ​​gas fra de sorte huller punktere støvkokonen, og giganter vil udvikle sig fra disse små røde prikker. Således foreslår ISTA-astrofysikeren og hans team, at de små røde prikker er små, røde versioner af gigantiske blå SMBH'er i den fase, der går forud for de problematiske kvasarer.

"At studere babyversioner af de alt for massive SMBH'er mere detaljeret vil give os mulighed for bedre at forstå, hvordan problematiske kvasarer opstår," forklarer Matthee.

En 'banebrydende' teknologi

Matthee og hans team var i stand til at finde baby-quasarerne takket være datasættene erhvervet af EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) og FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations) samarbejder. Det er et stort og et mellemstort JWST-program, som Matthee var involveret i. Sidste december, Physics World Magasinet listede EIGER blandt årets 10 bedste gennembrud for 2023.

"EIGER blev designet til specifikt at studere de sjældne blå supermassive kvasarer og deres miljøer. Det var ikke designet til at finde de små røde prikker. Men vi fandt dem tilfældigt i det samme datasæt. Dette skyldes, at ved at bruge JWST's Near Infrared Camera, EIGER erhverver emissionsspektre for alle objekter i universet," siger Matthee. "Hvis du løfter din pegefinger og strækker armen helt ud, svarer det område af nattehimlen, vi udforskede, til cirka en tyvendedel af overfladen på din negl. Indtil videre har vi nok kun ridset overfladen."

Matthee er overbevist om, at denne undersøgelse vil åbne mange veje og hjælpe med at besvare nogle af de store spørgsmål om universet.

"Sorte huller og SMBH'er er muligvis de mest interessante ting i universet. Det er svært at forklare, hvorfor de er der, men de er der. Vi håber, at dette arbejde vil hjælpe os med at løfte et af de største slør af mystik om universet." slutter han.

Flere oplysninger: Little Red Dots:An Abundant Population of Faint Active Galactic Nuclei (AGN) ved z ~ 5 afsløret af EIGER og FRESCO JWST Surveys, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2345

Journaloplysninger: Astrofysisk tidsskrift , Physics World

Leveret af Institut for Videnskab og Teknologi Østrig