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

Astrofiziki s Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani so z vesoljskim teleskopom Jamesa Webba odkrili supermasivno črno luknjo v galaksiji, ki je obstajala le približno 570 milijonov let po velikem poku. Gre za galaksijo CANUCS-LRD-z8.6 in sodi med tako imenovane rdeče pikice – skrivnostno skupino izjemno oddaljenih, kompaktnih in zelo rdečih galaksij. Odkritje razkriva, da so se črne luknje v zgodnjem vesolju morda razvijale bistveno hitreje, kot kažejo trenutne teorije.

Tako ugotovitev slovenskih astrofizikov maje obstoječe teorije o razvoju vesolja in povezuje prve črne luknje s svetlimi kvazarji, ki jih opazujemo danes. Raziskavo, objavljeno v reviji Nature Communications, je vodila ekipa astrofizikov UL FMF pod vodstvom dr. Roberte Tripodi in njene mentorice prof. dr. Maruše Bradač, v njej so še doktorandi Gregor Rihtaršič, Giordano Feliccioni in Jon Judež ter raziskovalci dr. Nicholas Martis, dr. Anishya Harshan in dr. Vladan Markov.

»To odkritje je res izjemno, povsem nepričakovano. Opazovali smo galaksijo iz obdobja manj kot 600 milijonov let po velikem poku, ki ne le da gosti supermasivno črno luknjo, temveč se ta črna luknja tudi izjemno hitro povečuje – bistveno hitreje, kot bi pričakovali v tako zgodnji fazi razvoja galaksij. To je uganka za naše razumevanje nastanka črnih lukenj in galaksij v zgodnjem vesolju,« je pojasnila dr. Roberta Tripodi, vodilna avtorica študije, raziskovalka na FMF UL in INAF – Astronomskem observatoriju v Rimu.

»Ko sem opazovala galaksijo, nisem niti razumela, kaj gledam. Vedela sem le, da je objekt precej 'kul'. No, Maruša [Bradač] je nato potrdila, da gre za izjemen objekt, ki ga moramo podrobneje preučiti in napisati raziskovalni članek,« je dejala dr. Tripodi. »Za primerjavo, črna luknja v rdeči pikici je stokrat večja od črne luknje v naši galaksiji, vendar pa je ta galaksija stokrat manjša od naše galaksije. To neskladje je vsekakor zelo zanimivo, še posebej ker govorimo o zelo zgodnjem vesolju,« je poudarila.

Opazovanja bližnjih galaksij sicer kažejo, da obstaja povezava med maso supermasivne črne luknje in velikostjo galaksije: večja ko je galaksija, večja je tudi njena osrednja črna luknja. Galaksija CANUCS-LRD-z8.6 pa to razmerje postavlja pod vprašaj – njena črna luknja je glede na maso galaksije presenetljivo velika, kar nakazuje, da so se črne luknje v zgodnjem vesolju razvijale hitreje, kot smo predvidevali.

»Obstajajo različne teorije, kako se črne luknje razvijajo, ki so v osnovi povezane s 'semenom' črne luknje. Po eni strani lahko hitro rastejo, ker požirajo veliko mase, lahko pa le počasi nabirajo maso. Pri odkritem objektu je najverjetnejši scenarij hitra akrecija na majhno seme na samem začetku. Torej, ta črna luknja požira veliko plina, veliko snovi, ki jo obdaja, in to zelo, zelo hitro,« je dodala dr. Tripodi.

Slika prikazuje del jate MACS J1149.5+2223, kot ga je posnela Webbova kamera za bližnjo infrardečo svetlobo NIRCam. Zaradi odlične občutljivosti Webba za infrardečo svetlobo in dolgega časa osvetlitve so se v temi pokazale tudi oddaljene galaksije, ki so rdeče barve. Bližnje galaksije so svetle zaradi obilja svetlobe, ki jo sevajo. FOTO: Esa/Nasa/CSA/G. Rihtar

Še pred dvema desetletjema so menili, da črne luknje niso pogoste v zgodnjem vesolju, do danes pa se je ta slika povsem spremenila. »Predvsem s teleskopom Jamesa Webba smo v zgodnjem vesolju odkrili veliko črnih lukenj, zato moramo prilagoditi naše modele in našo teorijo o nastanku galaksij ter nastanku in razvoju črnih lukenj. Pri populaciji rdečih pikic so brez odgovora še številna vprašanja,« je pojasnila.

V prvih treh letih opazovanj je teleskop Jamesa Webba razkril množico majhnih, oddaljenih in presenetljivo rdečih objektov. Kljub njihovi številnosti rdeče pikice ostajajo ena največjih ugank sodobne astronomije. Odkritje galaksije CANUCS-LRD-z8.6 prinaša pomemben korak k razumevanju teh pojavov. Z uporabo Webbovega spektrografa za bližnjo infrardečo svetlobo (NIRSpec) so raziskovalci zaznali šibko svetlobo galaksije in odkrili ključne spektralne značilnosti, ki razkrivajo prisotnost črne luknje, v katero padajo velike količine snovi – kot bi pravkar »zajtrkovala«.

Gost in vroč vodik

»Podatki, ki smo jih prejeli z Webba, so bili absolutno ključni,« je povedal dr. Nicholas Martis s FMF UL. »Spektralne značilnosti so namreč nedvoumno pokazale na aktivno črno luknjo v središču galaksije. S prejšnjo tehnologijo tega ni bilo mogoče opazovati. Še bolj presenetljivo pa je razmerje med maso črne luknje in maso zvezd v galaksiji, kar nakazuje, da so črne luknje v zgodnjem vesolju rasle veliko hitreje kot galaksije, ki so jih gostile,« je dodal.

Analiza spektra galaksije je pokazala ključne kazalce aktivne supermasivne črne luknje. »Ko analiziramo spekter oziroma oddano svetlobo galaksije, lahko zaznamo različne emisije. V galaksiji smo opazili določeno emisijo vodika, ki nam nakazuje, da je plin zelo gost in zelo vroč. Tak pa se ne more ustvariti drugače, kot da imamo zelo močen generator energije, in takšen generator energije je lahko samo črna luknja,« je razložila prof. dr. Maruša Bradač, vodja skupine na FMF UL. Podatki še kažejo, da je črna luknja izjemno masivna za tako zgodnje obdobje vesolja, medtem ko je galaksija sama še v zgodnji fazi razvoja, z zelo malo ustvarjenih težjih elementov, kot je kisik.

»To odkritje je razburljiv korak k razumevanju nastanka prvih supermasivnih črnih lukenj v vesolju,« je dodala prof. dr. Maruša Bradač. »Nepričakovano hitro naraščanje mase črne luknje v tej galaksiji odpira vprašanja o procesih, ki so omogočili, da so tako masivni objekti nastali tako zgodaj. Upamo, da bomo z nadaljnjo analizo podatkov drugih galaksij našli še več podobnih primerov, ki bodo osvetlili zgodnjo zgodovino vesolja.«

Dodala je, da je zmogljivi Webbov teleskop v nekaj letih postavil na glavo teorije o nastanku galaksij v zgodnjem vesolju, prav tako tudi na drugih področjih astrofizike. »Pri raziskavi smo odprli še več vprašanj, česar smo seveda veseli, kajti to pomeni, da imamo pred seboj še veliko raziskav. Prav pojav teh zelo masivnih črnih lukenj v zgodnjem vesolju pa je zagotovo nekaj, česar nikakor nismo pričakovali. Želeli bi vedeti, kaj pravzaprav je privedlo do oblikovanja te črne luknje, saj za zdaj ne poznamo nobenega mehanizma, ki bi nam povedal, iz česa so te črne luknje nastale.«

Ekipa že načrtuje dodatna opazovanja s teleskopom Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) in nadaljnja opazovanja z Webbovim teleskopom, da bi podrobneje raziskala hladen plin in prah v galaksiji ter natančneje določila lastnosti črne luknje. Nadaljnje študije  rdečih pikic – galaksij, ki so po velikosti majhne, a po masi velike – bodo ključne za razumevanje, kako so se galaksije in črne luknje sočasno razvijale prvo milijardo let po velikem poku.

Skupina astrofizikov na Fakulteti za matematiko in fiziko v Ljubljani FOTO: Saša Senica

Skupina na ljubljanski fakulteti za matematiko in fiziko sicer s pridom uporablja najzmogljivejši vesoljski teleskop na svetu. »V skupini nas je osem, na različnih kariernih stopnjah. Sodelujemo tudi s kolegi v Kanadi, ki je izdelovala eno od Webbovih kamer, in skupaj smo opravili številne zelo raznolike raziskave. Tako se ukvarjamo ne le z zgodnjim vesoljem, ampak denimo tudi s temno snovjo, tako da v prihodnje lahko od naše skupine pričakujete še več podobno zanimivih raziskav,« je sklenila profesorica Maruša Bradač.