Τις τελευταίες δεκαετίες, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να κοιτάξουν μακρύτερα στο Σύμπαν (και επίσης στο παρελθόν), σχεδόν στις ίδιες τις αρχές του Σύμπαντος. Με αυτόν τον τρόπο, έχουν μάθει πολλά για μερικούς από τους πρώτους γαλαξίες στο Σύμπαν και την επακόλουθη εξέλιξή τους. Ωστόσο, εξακολουθούν να υπάρχουν ορισμένα πράγματα που είναι ακόμη εκτός ορίων, όπως όταν εμφανίστηκαν για πρώτη φορά γαλαξίες με υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBHs) και μαζικά τζετ.
Σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες της Διεθνούς Σχολής Προηγμένων Μελετών (SISSA) και μια ομάδα αστρονόμων από την Ιαπωνία και την Ταϊβάν, παρέχονται νέες πληροφορίες για το πώς οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες άρχισαν να σχηματίζονται μόλις 800 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang, και σχετικιστικά αεροσκάφη λιγότερο από 2 δισεκατομμύρια χρόνια μετά. Αυτά τα αποτελέσματα αποτελούν μέρος μιας αυξανόμενης υπόθεσης που δείχνει πόσο τεράστια αντικείμενα στο Σύμπαν μας σχηματίστηκαν νωρίτερα από ό, τι νομίζαμε.
Οι αστρονόμοι γνωρίζουν τα SMBH για περισσότερο από μισό αιώνα. Με τον καιρό, συνειδητοποίησαν ότι οι περισσότεροι μαζικοί γαλαξίες (συμπεριλαμβανομένου του Γαλαξία) τους έχουν στους πυρήνες τους. Ο ρόλος που διαδραματίζουν στην εξέλιξη των γαλαξιών αποτέλεσε επίσης αντικείμενο μελέτης, με τους σύγχρονους αστρονόμους να καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι σχετίζονται άμεσα με το ρυθμό σχηματισμού των αστεριών στους γαλαξίες.
Ομοίως, οι αστρονόμοι διαπίστωσαν ότι οι SMBH έχουν σφιχτούς δίσκους αύξησης γύρω τους όπου το αέριο και η σκόνη επιταχύνονται για να φτάσουν στην ταχύτητα του φωτός. Αυτό αναγκάζει το κέντρο ορισμένων γαλαξιών να γίνει τόσο φωτεινό - αυτό που είναι γνωστό ως ενεργός γαλαξιακός πυρήνας (AGNs) - που φωτίζουν τα αστέρια στους δίσκους τους. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτοί οι δίσκοι αύξησης οδηγούν επίσης σε πίδακες ζεστού υλικού που μπορεί να δει κανείς από δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά.
Σύμφωνα με τα συμβατικά μοντέλα, οι γαλαξίες δεν είχαν αρκετό χρόνο για να αναπτύξουν κεντρικές μαύρες τρύπες όταν το Σύμπαν ήταν μικρότερο από ένα δισεκατομμύριο ετών (περίπου 13 δισεκατομμύρια χρόνια πριν). Ωστόσο, πρόσφατες παρατηρήσεις έδειξαν ότι οι μαύρες τρύπες είχαν ήδη σχηματιστεί στο κέντρο των γαλαξιών εκείνη την εποχή. Αντιμετωπίζοντας αυτό, μια ομάδα επιστημόνων από το SISSA πρότεινε ένα νέο μοντέλο που προσφέρει μια πιθανή εξήγηση.
Για τη μελέτη τους, την οποία ηγήθηκε ο Lumen Boco - Ph.D. φοιτητής από το Ινστιτούτο Θεμελιώδους Φυσικής του Σύμπαντος (IFPU) - η ομάδα ξεκίνησε με το γνωστό γεγονός ότι οι SMBH αναπτύσσονται στις κεντρικές περιοχές των πρώιμων γαλαξιών. Αυτά τα αντικείμενα, οι πρόγονοι των ελλειπτικών γαλαξιών σήμερα, είχαν πολύ υψηλή συγκέντρωση αερίου και εξαιρετικά έντονο ρυθμό σχηματισμού νέων αστεριών.
Οι πρώτες γενιές αστεριών σε αυτούς τους γαλαξίες ήταν βραχύβιες και γρήγορα εξελίχθηκαν σε μαύρες τρύπες που ήταν σχετικά μικρές, αλλά σημαντικές σε αριθμό. Το πυκνό αέριο που τους περιέβαλλε οδήγησε σε σημαντική δυναμική τριβή και τους ανάγκασε να μεταναστεύσουν γρήγορα στο κέντρο του γαλαξία. Εδώ συγχωνεύτηκαν για να δημιουργήσουν τους σπόρους των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών - που σιγά σιγά μεγάλωσαν με την πάροδο του χρόνου.
Όπως εξήγησε η ερευνητική ομάδα στο πρόσφατο δελτίο τύπου του SISS:
«Σύμφωνα με τις κλασικές θεωρίες, μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα μεγαλώνει στο κέντρο ενός γαλαξία που συλλαμβάνει τη γύρω ύλη, κυρίως αέριο,« αναπτύσσεται »από μόνη της και τελικά την καταβροχθίζει με ρυθμό ανάλογο με τη μάζα του. Για το λόγο αυτό, κατά τις αρχικές φάσεις της ανάπτυξής της, όταν η μάζα της μαύρης τρύπας είναι μικρή, η ανάπτυξη είναι πολύ αργή. Στο βαθμό που, σύμφωνα με τους υπολογισμούς, για να επιτευχθεί η μάζα που παρατηρείται, δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου, θα χρειαζόταν ένας πολύ μεγάλος χρόνος, ακόμη μεγαλύτερος από την εποχή του νέου Σύμπαντος. "
Ωστόσο, το αρχικό μαθηματικό μοντέλο που ανέπτυξαν έδειξε ότι η διαδικασία σχηματισμού κεντρικών μαύρων οπών θα μπορούσε να είναι πολύ γρήγορη στις αρχικές της φάσεις. Αυτό όχι μόνο προσφέρει μια εξήγηση για την ύπαρξη σπόρων SMBH στο πρώιμο Σύμπαν, αλλά επίσης συνδυάζει το χρονοδιάγραμμα της ανάπτυξής τους με τη γνωστή εποχή του Σύμπαντος.
Εν ολίγοις, η μελέτη τους έδειξε ότι η διαδικασία μετανάστευσης και συγχώνευσης πρώιμων μαύρων τρυπών μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία ενός σπόρου SMBH 10.000 έως 100.000 ηλιακών μαζών σε μόλις 50-100 εκατομμύρια χρόνια. Όπως εξήγησε η ομάδα:
«[Η] ανάπτυξη της κεντρικής μαύρης τρύπας σύμφωνα με την προαναφερθείσα άμεση αύξηση του αερίου, που προβλέπει η τυπική θεωρία, θα γίνει πολύ γρήγορη, επειδή η ποσότητα του αερίου που θα καταφέρει να προσελκύσει και να απορροφήσει θα γίνει τεράστια και θα κυριαρχεί τη διαδικασία που προτείνουμε. Παρ 'όλα αυτά, ακριβώς το γεγονός ότι ξεκινάμε από έναν τόσο μεγάλο σπόρο όπως προβλέπει ο μηχανισμός μας επιταχύνει την παγκόσμια ανάπτυξη της υπερμεγέθης μαύρης τρύπας και επιτρέπει τη δημιουργία της, επίσης στο Young Universe. Εν ολίγοις, υπό το φως αυτής της θεωρίας, μπορούμε να δηλώσουμε ότι 800 εκατομμύρια χρόνια μετά το Big Bang οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες θα μπορούσαν ήδη να κατοικήσουν τον Κόσμο. "
Εκτός από την πρόταση ενός μοντέλου εργασίας για τους παρατηρούμενους σπόρους SMBH, η ομάδα πρότεινε επίσης μια μέθοδο για τη δοκιμή του. Από τη μία πλευρά, υπάρχουν τα κύματα βαρύτητας που προκαλούν αυτές οι συγχωνεύσεις, τα οποία θα μπορούσαν να αναγνωριστούν χρησιμοποιώντας ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων όπως το Advanced LIGO / Virgo και που χαρακτηρίζονται από το μελλοντικό τηλεσκόπιο Einstein.
Επιπλέον, οι επακόλουθες φάσεις ανάπτυξης των SMBHs είναι κάτι που θα μπορούσε να διερευνηθεί από αποστολές όπως η διαστημική κεραία λέιζερ Interferometer της ESA (LISA), η οποία αναμένεται να ξεκινήσει περίπου το 2034. Σε παρόμοια πτυχή, μια άλλη ομάδα αστρονόμων χρησιμοποίησε πρόσφατα το Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) για την αντιμετώπιση ενός άλλου μυστηρίου σχετικά με τους γαλαξίες, γι 'αυτό μερικοί έχουν πίδακες και άλλοι όχι.
Αυτά τα γρήγορα κινούμενα ρεύματα ιονισμένης ύλης, τα οποία ταξιδεύουν με σχετικιστικές ταχύτητες (ένα κλάσμα της ταχύτητας του φωτός), έχουν παρατηρηθεί ότι προέρχονται από το κέντρο ορισμένων γαλαξιών. Αυτά τα αεριωθούμενα αεροπλάνα έχουν συνδεθεί με τον ρυθμό σχηματισμού άστρων ενός γαλαξία λόγω του τρόπου που εκδιώκουν την ύλη που διαφορετικά θα καταρρεύσει για να σχηματίσει νέα αστέρια. Με άλλα λόγια, αυτά τα αεροσκάφη διαδραματίζουν ρόλο στην εξέλιξη των γαλαξιών, όπως και τα SMBH.
Για το λόγο αυτό, οι αστρονόμοι έχουν προσπαθήσει να μάθουν περισσότερα σχετικά με το πώς τα αεριωθούμενα αεροπλάνα και τα αέρια σύννεφα αλληλεπιδρούν με την πάροδο του χρόνου. Δυστυχώς, ήταν δύσκολο να παρατηρηθούν τέτοιου είδους αλληλεπιδράσεις κατά τη διάρκεια του πρώτου Σύμπαντος. Χρησιμοποιώντας το Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), μια ομάδα αστρονόμων κατάφερε να αποκτήσει την πρώτη διαλυμένη εικόνα των διαταραγμένων αερίων σύννεφων που προέρχονταν από ένα πολύ μακρινό κβάζαρ.
Η μελέτη που περιγράφει τα ευρήματά τους, με επικεφαλής τον καθηγητή Kaiki Taro Inoue του Πανεπιστημίου Kindai, εμφανίστηκε πρόσφατα στο Αστροφυσικά περιοδικά. Όπως εξήγησαν οι Inoue και οι συνάδελφοί του, τα δεδομένα της ALMA αποκάλυψαν νέους διπολικούς πίδακες που προέρχονταν από το MG J0414 + 0534, ένα κβάζαρ που βρίσκεται περίπου 11 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Αυτά τα ευρήματα δείχνουν ότι οι γαλαξίες με SMBH και πίδακες υπήρχαν όταν το Big Bang ήταν κάτω των 3 δισεκατομμυρίων ετών.
Εκτός από το ALMA, η ομάδα βασίστηκε σε μια τεχνική γνωστή ως βαρυτικός φακός, όπου η βαρύτητα ενός παρεμβαλλόμενου γαλαξία μεγεθύνει το φως που προέρχεται από ένα μακρινό αντικείμενο. Χάρη σε αυτό το «κοσμικό τηλεσκόπιο» και την υψηλή ανάλυση της ALMA, η ομάδα μπόρεσε να παρατηρήσει τα διαταραγμένα αέρια σύννεφα γύρω από το MG J0414 + 0534 και να διαπιστώσει ότι προκλήθηκαν από νεαρά τζετ που προέρχονταν από ένα SMBH στο κέντρο του γαλαξία.
Όπως εξήγησε ο Kouichiro Nakanishi, αναπληρωτής καθηγητής στο Εθνικό Αστρονομικό Παρατηρητήριο της Ιαπωνίας / SOKENDAI σε δελτίο τύπου της ALMA:
«Συνδυάζοντας αυτό το κοσμικό τηλεσκόπιο και τις παρατηρήσεις υψηλής ανάλυσης της ALMA, αποκτήσαμε εξαιρετικά ευκρινή όραση, που είναι 9.000 φορές καλύτερη από την ανθρώπινη όραση. Με αυτήν την εξαιρετικά υψηλή ανάλυση, καταφέραμε να επιτύχουμε τη διανομή και την κίνηση των αερίων σύννεφων γύρω από πίδακες που εκτοξεύονται από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. "
Αυτές οι παρατηρήσεις έδειξαν επίσης ότι το αέριο προσβλήθηκε εκεί που ακολούθησε την κατεύθυνση των πίδακες, προκαλώντας τα σωματίδια να κινούνται βίαια και να επιταχυνθούν σε ταχύτητες έως 600 km / s (370 mps). Επιπλέον, αυτά τα αέρια σύννεφα και τα ίδια τα αεροπλάνα ήταν πολύ μικρότερα από το μέγεθος ενός τυπικού γαλαξία σε αυτήν την εποχή.
Από αυτό, η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ήταν μάρτυρες μιας πολύ πρώιμης φάσης της εξέλιξης του jet στον γαλαξία MG J0414 + 0534. Εάν είναι αλήθεια, αυτές οι παρατηρήσεις επέτρεψαν στην ομάδα να παρακολουθήσει μια βασική εξελικτική διαδικασία στους γαλαξίες κατά τη διάρκεια του πρώτου Σύμπαντος. Όπως συνόψισε ο Inoue:
«Το MG J0414 + 0534 είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα λόγω της νεολαίας των αεροσκαφών. Βρήκαμε ενδεικτικές ενδείξεις σημαντικής αλληλεπίδρασης μεταξύ αεριωθούμενων και αέριων νεφών ακόμη και στην πολύ πρώιμη εξελικτική φάση των αεριωθούμενων αεροσκαφών. Νομίζω ότι η ανακάλυψή μας θα ανοίξει το δρόμο για καλύτερη κατανόηση της εξελικτικής διαδικασίας των γαλαξιών στο πρώιμο Σύμπαν. "
Μαζί, αυτές οι μελέτες δείχνουν ότι δύο από τα πιο ισχυρά αστρονομικά φαινόμενα στο Σύμπαν εμφανίστηκαν νωρίτερα από το αναμενόμενο. Αυτή η ανακάλυψη παρέχει επίσης στους αστρονόμους την ευκαιρία να διερευνήσουν πώς αυτά τα φαινόμενα εξελίχθηκαν με την πάροδο του χρόνου και τον ρόλο που έπαιξαν στην εξέλιξη του Σύμπαντος.
