Χάρη στις εξαιρετικά βελτιωμένες δυνατότητες των σημερινών τηλεσκοπίων, οι αστρονόμοι ερευνούν βαθύτερα τον Κόσμο και πίσω στο παρελθόν. Με αυτόν τον τρόπο, μπόρεσαν να αντιμετωπίσουν ορισμένα μακροχρόνια μυστήρια σχετικά με το πώς εξελίχθηκε το Σύμπαν από το Big Bang. Ένα από αυτά τα μυστήρια είναι το πώς οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBHs), που διαδραματίζουν καθοριστικό ρόλο στην εξέλιξη των γαλαξιών, σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια του πρώτου Σύμπαντος.
Χρησιμοποιώντας το Μεγάλο Τηλεσκόπιο (VLT) του ESO στη Χιλή, μια διεθνής ομάδα αστρονόμων παρατήρησε τους γαλαξίες καθώς εμφανίστηκαν περίπου 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang (περίπου 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν). Παραδόξως, παρατήρησαν μεγάλες δεξαμενές ψυχρού αερίου υδρογόνου που θα μπορούσαν να παρέχουν επαρκή «πηγή τροφής» για SMBHs. Αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να εξηγήσουν πώς οι SMBH αναπτύχθηκαν τόσο γρήγορα κατά την περίοδο που ήταν γνωστή ως Cosmic Dawn.
Την ομάδα καθοδήγησαν ο Δρ. Emanuele Paolo Farina του Ινστιτούτου Max Planck για την Αστρονομία (MPIA) και το Ινστιτούτο Max Planck για την Αστροφυσική (MPA). Συνοδεύτηκε από ερευνητές τόσο από το MPIA όσο και από το MPA, το Ευρωπαϊκό Νότιο Παρατηρητήριο (ESO), το UC Santa Barbara, το Αστεροφυσικό Παρατηρητήριο Arcetri, το Αστεροφυσικό και το Διαστημικό Επιστημονικό Παρατηρητήριο της Μπολόνια και το Ινστιτούτο Max Planck για Εξωγήινη Φυσική (MPEP).
Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι μελετούν SMBHs, που υπάρχουν στον πυρήνα των περισσότερων γαλαξιών και αναγνωρίζονται από τους ενεργούς γαλατικούς πυρήνες τους (AGN). Αυτοί οι πυρήνες, που είναι επίσης γνωστοί ως κβάζαρ, μπορούν να εκπέμπουν περισσότερη ενέργεια και φως από τα υπόλοιπα άστρα του γαλαξία. Μέχρι σήμερα, το πιο μακρινό που παρατηρείται είναι το ULAS J1342 + 0928, το οποίο βρίσκεται 13,1 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Δεδομένου ότι τα πρώτα αστέρια εκτιμάται ότι έχουν σχηματιστεί μόλις 100.000 χρόνια μετά το Big Bang (περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν), αυτό σημαίνει ότι οι SMBHs έπρεπε να σχηματιστούν γρήγορα από τα πρώτα αστέρια για να πεθάνουν. Μέχρι τώρα, όμως, οι αστρονόμοι δεν είχαν βρει σκόνη και αέριο σε αρκετά υψηλές ποσότητες κατά τη διάρκεια του πρώτου Σύμπαντος για να εξηγήσουν αυτήν την ταχεία ανάπτυξη.
Επιπλέον, προηγούμενες παρατηρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με το Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) αποκάλυψαν ότι οι πρώτοι γαλαξίες περιείχαν πολλή σκόνη και αέριο, τα οποία τροφοδότησαν ταχεία δημιουργία αστεριών. Αυτά τα ευρήματα έδειξαν ότι δεν θα είχε απομείνει πολύ υλικό για να τροφοδοτήσουν τις μαύρες τρύπες, κάτι που εμβάθυνε μόνο το μυστήριο του πώς μεγάλωσαν τόσο γρήγορα.
Για να αντιμετωπιστεί αυτό, ο Φαρίνα και οι συνάδελφοί του βασίστηκαν σε δεδομένα που συγκεντρώθηκαν από το εργαλείο Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) για να ερευνήσουν 31 κβάζαρ σε απόσταση περίπου 12,5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός (παρατηρώντας έτσι την εμφάνισή τους πριν από 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια). Αυτό καθιστά την έρευνά τους ένα από τα μεγαλύτερα δείγματα κβάζαρ από αυτήν την πρώιμη περίοδο του Σύμπαντος. Αυτό που βρήκαν ήταν 12 εκτεταμένα και εκπληκτικά πυκνά σύννεφα υδρογόνου.
Αυτά τα σύννεφα υδρογόνου ταυτοποιήθηκαν από τη χαρακτηριστική τους λάμψη στο υπεριώδες φως. Δεδομένης της απόστασης και της επίδρασης της κόκκινης μετατόπισης (όπου το μήκος κύματος του φωτός τεντώνεται λόγω κοσμικής διαστολής), τα γήινα τηλεσκόπια αντιλαμβάνονται τη λάμψη ως κόκκινο φως. Όπως εξήγησε η Φαρίνα σε δελτίο τύπου MPIA:
“Η πιο πιθανή εξήγηση για το λαμπρό αέριο είναι ο μηχανισμός φθορισμού. Το υδρογόνο μετατρέπει την πλούσια σε ενέργεια ακτινοβολία του κβάζαρ σε φως με ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος, το οποίο είναι αισθητό από μια λάμψη.”
Τα σύννεφα δροσερού, πυκνού υδρογόνου - που ήταν αρκετά δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου - δημιούργησαν φωτοστέφανα γύρω από τους πρώτους γαλαξίες που εκτείνονταν για 100.000 έτη φωτός από τις κεντρικές μαύρες τρύπες. Συνήθως, η ανίχνευση τέτοιων σύννεφων γύρω από τα κβάζαρ (που είναι έντονα φωτεινά) είναι μάλλον δύσκολη. Αλλά χάρη στην ευαισθησία του οργάνου MUSE - το οποίο η Φαρίνα περιέγραψε ως "παιχνίδι αλλαγής" - η ομάδα τους βρήκε αρκετά γρήγορα.
Όπως είπε η Alyssa Drake, ερευνητής στο MPIA που συνέβαλε επίσης στη μελέτη:
“Με τις τρέχουσες μελέτες, μόλις αρχίζουμε να διερευνούμε πώς οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπόρεσαν να αναπτυχθούν τόσο γρήγορα. Αλλά νέα όργανα όπως το MUSE και το μελλοντικό διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μας βοηθούν να λύσουμε αυτούς τους συναρπαστικούς γρίφους.”
Η ομάδα διαπίστωσε ότι αυτά τα φωτοστέφανα ήταν στενά συνδεδεμένα με τους γαλαξίες, παρέχοντας την τέλεια «πηγή τροφής» για τη διατήρηση τόσο του γρήγορου σχηματισμού αστεριών όσο και της ανάπτυξης υπερμεγέθων μαύρων οπών. Αυτές οι παρατηρήσεις επιλύουν αποτελεσματικά το μυστήριο του πώς θα μπορούσαν να υπάρχουν υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες τόσο νωρίς στην ιστορία του Σύμπαντος. Όπως το συνοψίζει η Φαρίνα:
“Τώρα είμαστε σε θέση να αποδείξουμε, για πρώτη φορά, ότι οι αρχέγονοι γαλαξίες έχουν αρκετή τροφή στο περιβάλλον τους για να διατηρήσουν τόσο την ανάπτυξη υπερμεγέθων μαύρων τρυπών όσο και τον έντονο σχηματισμό αστεριών. Αυτό προσθέτει ένα θεμελιώδες κομμάτι στο παζλ που οι αστρονόμοι χτίζουν για να απεικονίσουν πώς σχηματίστηκαν οι κοσμικές δομές περισσότερα από 12 δισεκατομμύρια χρόνια πριν.”
Στο μέλλον, οι αστρονόμοι θα έχουν ακόμη πιο εξελιγμένα εργαλεία για να μελετήσουν γαλαξίες και SMBH στο πρώιμο Σύμπαν, τα οποία θα πρέπει να αποκαλύψουν ακόμη περισσότερες λεπτομέρειες σχετικά με τα αρχαία σύννεφα αερίων. Αυτό περιλαμβάνει το εξαιρετικά μεγάλο τηλεσκόπιο (ELT) του ESO, καθώς και διαστημικά τηλεσκόπια όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST).
Η μελέτη που περιγράφει τα ευρήματα της ομάδας εμφανίστηκε στο τεύχος 20 Δεκεμβρίου Η Αστροφυσική Εφημερίδα.
