Črna luknja, ki je nastala v prvi sekundi vesolja

Kaj je bilo prej: galaksija ali črna luknja? Veljalo je mnenje, da so najprej nastale galaksije, šele nato črne luknje, ki so se tvorile po smrti masivnih zvezd in so kasneje požirale okoliško snov ter tako rasle. Vendar pa se je nekoliko zataknilo pri razlagi, kako so nastale orjaške črne luknje – milijon- do milijardkrat masivnejše od Sonca – v zgodnjem vesolju. Vesoljski teleskop James Webb je zdaj ponudil dokaze, da so supermasivne črne luknje velike že od začetka in da niso nastale ob koncu življenja zvezde.

Raziskovalka iz Slovenije sodelovala pri odkritju dokazov o obnašanju črnih lukenj

Raziskovalci so, kot so sporočili iz Evropske vesoljske agencije, kartirali gibanje in sestavo plina, ki kroži okoli črne luknje v središču majhne galaksije Abell2744-QSO1, oddaljene več kot 13 milijard svetlobnih let (torej je le 700 milijonov let mlajša od samega vesolja). Rezultati kažejo, da je črna luknja z maso 50 milijonov Sončevih mas starejša od svoje gostiteljske galaksije, verjetno je nastala v prvi sekundi velikega poka in že v prvi sekundi je bila orjaška.

»To je izjemna ugotovitev,« je dejal Roberto Maiolino z Univerze v Cambridgeu v Združenem kraljestvu, soavtor študij, objavljenih v revijah Nature in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. »Gre za paradigmatski premik, ki vodi v ponovno preučitev klasičnih scenarijev o tem, kako nastajajo in rastejo črne luknje.«

Galaksija Abell2744-QSO1 je široka le 1300 svetlobnih let; njena svetloba potuje že več kot 13 milijard let. Sodi med tako imenovane rdeče pikice – skupino izjemno oddaljenih, kompaktnih in zelo rdečih galaksij. A jo je v nasprotju z drugimi pikicami lažje raziskovati, ker jo gravitacijsko leči kopica Abell 2744 (Pandorina kopica). Abell2744-QSO1 je tako precej povečana in trojno projicirana ali povedano drugače: gravitacijska leča jo projicira na tri različna mesta na nebu.

Gravitacijsko lečenje je pojav, pri katerem zaradi privlačnosti masivnega telesa – tako imenovane gravitacijske leče –, ki povzroči ukrivljenost prostora-časa v svoji bližini, svetloba oddaljenih galaksij spremeni svojo pot. Posledično so podobe teh galaksij popačene in raztegnjene v značilne podolgovate loke. Če je poravnava med gravitacijsko lečo in oddaljeno galaksijo dovolj natančna, lahko na nebu opazijo celo več slik iste galaksije. 

Prve študije Abell2744-QSO1 so po pojasnilih Ese razkrile prepričljive dokaze, da oblak žarečega vodika in helija kroži okoli supermasivne črne luknje, katere masa je po ocenah 40-milijonkrat večja od Sončeve. Toda tako kot pri drugih zgodnjih črnih luknjah, ki jih je odkril Webb, je obstajala negotovost, ali je res tako masivna. Opazovanja so potrdila, da je.

Raziskovalci so uporabili napredne Webbove instrumente, da so sledili učinkom gravitacije črne luknje na plin, ki se vrti okoli nje, hkrati pa so kartirali porazdelitev različnih elementov v plinu.

Preberite še: Velik uspeh slovenskih raziskovalcev: odkrili supermasivno črno luknjo v mladem vesolju

Teleskop so izstrelili decembra 2021. Do danes je postregel z izjemnimi znanstvenimi odkritji. FOTO: Nasa/AFP

Doktorska študenta Ignas Juodžbalis z Univerze v Cambridgeu in Cosimo Marconcini z Univerze v Firencah sta z opazovanji gibanja vodikovega plina ugotovila Keplerjevo gibanje – to pomeni, da plin kroži okoli osrednje točke na enak način, kot planeti v našem osončju krožijo okoli Sonca. To je pomembno, ker pove, da je večina mase skoncentrirana v črni luknji.

Ker to gibanje urejajo preprosti zakoni gravitacije, je ekipa lahko z merjenjem hitrosti plina neposredno izračunala maso črne luknje, kar prej ni bilo mogoče. Ugotovili so, da je črna luknja ne le ogromna – njena masa je približno 50 milijonov mas Sonca –, ampak predstavlja kar dve tretjini celotne mase galaksije. Ta delež je tisočkrat večji kot v bližnjih galaksijah, kjer supermasivne črne luknje predstavljajo le majhen del celotne mase gostiteljske galaksije.

Potrdili so še, da je plin v galaksiji skoraj v celoti sestavljen iz vodika in helija – zelo malo je težjih elementov, ki bi jih pričakovali v galaksiji, bogati z zvezdami in zvezdnimi ostanki.

Izjemna masa luknje v primerjavi z njegovo gostiteljsko galaksijo kaže, da se ni mogla postopoma oblikovati iz združevanja manjših črnih lukenj in hranjenja z zvezdno maso. Ne glede na to, ali se je črna luknja QSO1 razvila iz »težkega semena«, ki se je oblikovalo v prvi sekundi velikega poka ali nekoliko kasneje iz kolapsa orjaškega oblaka plina, se je skoraj zagotovo rodila velika in je morda v zgodnjih fazah gradnje galaksije okoli sebe.

Raziskovalci zdaj preučujejo še druge rdeče pikice, da bi ugotovili, ali so supermasivne črne luknje nastale že pred galaksijami, v katerih trenutno so.