Teleskop Jamesa Webba (JWST) rewolucjonizuje nasze zrozumienie supermasywnych czarnych dziur – kolosalnych kotwic grawitacyjnych w centrach galaktyk. Przez dziesięciolecia dominowała teoria, że giganty te rosły stopniowo, w miarę łączenia się mniejszych czarnych dziur na przestrzeni miliardów lat. Jednak ostatnie obserwacje JWST ujawniają, że czarne dziury we wczesnym Wszechświecie są zbyt masywne i pojawiły się zbyt wcześnie, aby pasowały do tego modelu.
Tajemnica powstawania wczesnych czarnych dziur
Astronomowie od dawna zastanawiają się, w jaki sposób supermasywne czarne dziury mogły osiągać masy miliardy razy większe od masy Słońca na tak wczesnym etapie historii kosmosu. Tradycyjne wyjaśnienie – powolna akrecja i łączenie się czarnych dziur o masach gwiazdowych – po prostu nie uwzględnia rozmiaru i liczebności tych obiektów obserwowanych w młodym Wszechświecie.
Odkrycie kwazarów, wyjątkowo jasnych obiektów zasilanych przez akreujące supermasywne czarne dziury, zaledwie 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu, już wskazało na tę rozbieżność. JWST dostarcza obecnie szczegółowych dowodów potrzebnych do udoskonalenia naszej wiedzy.
Całkowity upadek i alternatywne teorie
Pojawiające się badania sugerują, że w grę może wchodzić kilka alternatywnych mechanizmów kształtowania. Jedna z wiodących teorii sugeruje bezpośrednie zapadanie się czarnych dziur, podczas których masywne grudki gazu i pyłu zapadają się pod wpływem własnej grawitacji, tworząc w jednym kroku czarne dziury milion razy masywniejsze od Słońca. Te czarne dziury będą następnie rosły, szybko akumulując materię i ostatecznie stając się supermasywnymi obiektami, które widzimy dzisiaj.
JWST zidentyfikowało już kilku kandydatów potwierdzających ten model, w tym galaktykę UHZ1, która zawiera czarną dziurę o masie 40 milionów Słońca, która istniała, gdy Wszechświat miał zaledwie 470 milionów lat. Emisje promieniowania podczerwonego i rentgenowskiego UHZ1 ściśle odpowiadają przewidywaniom dotyczącym bezpośredniego zapadnięcia się czarnej dziury.
Inne możliwości obejmują pierwotne czarne dziury powstałe tuż po Wielkim Wybuchu i prawie pierwotne czarne dziury powstałe nieco później, ale wciąż przed powstaniem pierwszych gwiazd. Te wczesne czarne dziury mogły posłużyć za nasiona dalszego wzrostu, chociaż określenie ich rozpowszechnienia pozostaje aktywnym obszarem badań.
Małe czerwone kropki i klif: nowe odkrycia
JWST zidentyfikował także „małe czerwone kropki” – zwarte, jasne obiekty, które wydają się być masywnymi czarnymi dziurami bez znaczących galaktyk macierzystych. Jednym z takich przykładów jest QSO1 obserwowana 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Jej szacunkowa masa wynosząca 50 milionów słońc jest skupiona na małym obszarze z niewielką ilością otaczającej ją materii gwiazdowej.
Innym intrygującym obiektem, nazwany „Klifem”, może być quasi-gwiazda: masywna powłoka gazowa otaczająca nowo utworzoną supermasywną czarną dziurę. Dane JWST wskazują na gwałtowny skok światła pochodzącego z gęstego gazowego wodoru, zgodny z tym modelem.
Przyszłość badań nad czarnymi dziurami
Wnioski są jasne: supermasywne czarne dziury prawdopodobnie nie powstały po prostu z mniejszych. Zamiast tego mogły powstać w wyniku połączenia szybkiego, bezpośredniego upadku, pierwotnego pochodzenia lub innych egzotycznych mechanizmów. Misje takie jak Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej i Teleskop Rzymski NASA uzupełnią ustalenia JWST, pomagając udoskonalić te modele i zidentyfikować dominujące ścieżki powstawania wczesnych czarnych dziur.
„Wszechświat jest usiany supermasywnymi czarnymi dziurami, które powstają niezwykle wcześnie” – mówi Priyamvada Natarajan, astrofizyk z Uniwersytetu Yale. „Nie potrafię ci wyrazić, jakie to ekscytujące”.
Ta rewolucja w naszym rozumieniu dopiero się zaczyna, ale istnieje coraz więcej dowodów na to, że nasze poprzednie założenia dotyczące najwcześniejszych czarnych dziur we Wszechświecie były zasadniczo niekompletne.
