Roiul de galaxii Abell 2744, în care obiectul „micul punct roșu” cunoscut sub numele de QSO apare de trei ori în zonele evidențiate. Studierea acestor imagini a dezvăluit existența unei găuri negre centrale cu o masă de 50 de milioane de mase solare, înconjurată de gaz care se întinde pe aproximativ 1.300 de ani-lumină și care prezintă doar o îmbogățire chimică foarte redusă. Gazul se rotește în jurul centrului ca și cum masa centrală ar fi singura masă semnificativă din sistem.
Credit: NASA, ESA, CSA, L. Furtak (Universitatea Ben-Gurion), R. Maiolino (Universitatea Cambridge), F. D’Eugenio (Universitatea Cambridge), I. Juodžbalis (Universitatea Cambridge), H. Übler (MPE), C. Marconcini (Universitatea din Florența); procesare imagine: A. Pagan.
De zeci de ani, astronomii încearcă să răspundă la una dintre cele mai fascinante întrebări despre universul timpuriu: ce a apărut mai întâi, galaxiile sau găurile negre supermasive din centrele lor? Descoperirile recente realizate cu ajutorul Telescopului Spațial James Webb (JWST) oferă, în sfârșit, cel mai convingător răspuns de până acum: găurile negre par să fi apărut înaintea galaxiilor mature și să se fi format independent de stelele care le înconjoară astăzi.
Descoperirea, bazată pe observarea unei regiuni îndepărtate a universului aflate în spatele roiului de galaxii Abell 2744, ar putea schimba modul în care înțelegem nașterea primelor structuri cosmice.
O problemă cosmică de tipul „oul sau găina?”
Aproape fiecare galaxie mare observată în prezent conține în centru o gaură neagră supermasivă. Aceste obiecte au mase de milioane sau chiar miliarde de ori mai mari decât cea a Soarelui.
În același timp, galaxiile conțin și cantități uriașe de stele. De exemplu, Calea Lactee găzduiește sute de miliarde de stele, iar în centrul său se află gaura neagră supermasivă Sagittarius A*, cu o masă de aproximativ 4,3 milioane de mase solare.
Această asociere aproape universală dintre galaxii și găuri negre a ridicat o întrebare fundamentală: care dintre ele s-a format prima? Au apărut mai întâi stelele, iar găurile negre au rezultat ulterior din moartea acestora? Sau găurile negre au existat înainte și au contribuit la formarea galaxiilor?
Timp de decenii, răspunsul a rămas neclar.
Misterul găurilor negre gigantice din universul timpuriu
Problema a devenit și mai dificilă odată cu descoperirea unor quasari extrem de îndepărtați. Aceștia sunt nuclee galactice foarte active alimentate de găuri negre supermasive.
Observațiile au arătat că, la mai puțin de un miliard de ani după Big Bang, existau deja găuri negre cu mase de peste un miliard de ori mai mari decât masa Soarelui.
Pentru astronomi, acest lucru a reprezentat o provocare majoră. Dacă primele găuri negre s-au format doar din stele care au trăit și au murit, timpul disponibil părea insuficient pentru a le permite să ajungă la asemenea dimensiuni.
Așa a apărut una dintre cele mai importante enigme ale cosmologiei moderne: cum au reușit aceste obiecte să crească atât de repede?
Trei scenarii pentru nașterea găurilor negre supermasive
Astronomii au propus trei explicații principale.
Găurile negre provenite din primele stele
Scenariul clasic presupune că primele stele foarte masive au explodat sau au colapsat gravitațional, lăsând în urmă găuri negre relativ mici. Acestea ar fi crescut ulterior prin fuziuni și prin acumularea de materie.
Problema este că simulările arată că acest proces este prea lent pentru a explica găurile negre gigantice observate atât de devreme în istoria universului.
Colapsul direct al norilor de gaz
O ipoteză mai recentă sugerează că fluxuri reci și dense de gaz primordial s-au ciocnit și au format aglomerări uriașe de materie. Aceste structuri, având zeci de mii de mase solare, ar fi putut colapsa direct în găuri negre fără să treacă prin etapa formării stelelor.
Acest scenariu produce „semințe” mult mai masive și poate explica mai ușor apariția rapidă a găurilor negre supermasive.
Găurile negre primordiale
Cel mai exotic scenariu presupune existența unor găuri negre formate chiar în primele momente după Big Bang. Acestea ar necesita o fizică nouă și condiții extreme în universul timpuriu. Deocamdată nu există dovezi directe că asemenea obiecte au existat.
Telescopul James Webb și „Micul Punct Roșu”
Progresul decisiv a venit datorită Telescopului James Webb. În imaginile sale de profunzime, astronomii au identificat numeroase obiecte numite „Little Red Dots” („mici puncte roșii”). Aceste surse apar ca puncte roșii foarte luminoase și sunt considerate candidate pentru găuri negre aflate în creștere rapidă.
Un astfel de obiect, denumit Abell 2744-QSO1 sau simplu QSO1 (vezi imagine de mai sus), s-a dovedit excepțional. Lumina sa a pornit la drum când universul avea doar aproximativ 750 de milioane de ani. Mai mult, între el și Pământ se află roiul de galaxii Abell 2744, a cărui gravitație acționează ca o lentilă cosmică uriașă.
Acest efect, numit lentilă gravitațională, a mărit și a distorsionat imaginea obiectului, făcând posibilă observarea unor detalii care altfel ar fi fost imposibil de detectat.
O gaură neagră uriașă într-o galaxie minusculă
Folosind instrumentul NIRSpec de la bordul telescopului James Webb, cercetătorii au reușit să măsoare direct mișcarea gazului din jurul obiectului.
Rezultatul a fost surprinzător. QSO1 este o galaxie foarte mică, cu un diametru de numai aproximativ 1.300 de ani-lumină. În centrul său se află însă o gaură neagră cu o masă de aproximativ 50 de milioane de ori mai mare decât cea a Soarelui. Mai important, aproape întreaga masă a sistemului pare concentrată în această gaură neagră centrală.
Viteza gazului scade rapid odată cu distanța față de centru, exact așa cum prevede teoria gravitației pentru un obiect extrem de compact. Observațiile indică faptul că în jurul găurii negre există foarte puțină masă suplimentară sub formă de stele, gaz sau materie întunecată.
O galaxie aproape fără stele
Cercetătorii au analizat și compoziția chimică a gazului din jurul găurii negre. Universul timpuriu era format aproape exclusiv din hidrogen și heliu. Elementele mai grele, precum oxigenul, carbonul sau fierul, sunt produse în interiorul stelelor. Prin urmare, cantitatea acestor elemente oferă indicii despre câtă formare stelară a avut loc anterior.
În cazul lui QSO1, metalicitatea este extrem de redusă: doar aproximativ 0,4% din valoarea observată în Soare. Aceasta indică faptul că foarte puține generații de stele au existat până atunci.
Concluzia este remarcabilă: gaura neagră centrală este mai masivă decât toate stelele galaxiei luate la un loc. Estimările sugerează că masa găurii negre este de cel puțin două ori mai mare decât masa totală stelară a galaxiei.
Cel mai puternic indiciu că găurile negre au apărut primele
Această observație reprezintă cea mai solidă dovadă de până acum că găurile negre supermasive se pot forma înaintea stelelor și independent de acestea.
Dacă stelele ar fi fost responsabile pentru formarea găurii negre, ar trebui să existe o populație stelară mult mai mare în jurul ei. În schimb, astronomii observă exact contrariul: o gaură neagră dominantă într-un mediu aproape lipsit de stele.
Descoperirea favorizează puternic scenariile în care găurile negre apar direct din colapsul unor nori uriași de gaz sau chiar prin mecanisme încă necunoscute.
Ce nu știm încă
Deși rezultatul este impresionant, multe întrebări rămân fără răspuns. Astronomii nu știu dacă QSO1 reprezintă un caz obișnuit sau o excepție. Nu cunosc încă distribuția exactă a stelelor din această galaxie și nici momentul în care acestea s-au format.
Mai ales, nu știm cum a apărut această gaură neagră. S-a format prin colaps direct al gazului primordial sau este rezultatul unui proces exotic care implică o fizică încă necunoscută?
Observațiile viitoare efectuate cu ajutorul James Webb și cu generațiile următoare de telescoape vor încerca să răspundă acestor întrebări.
O schimbare majoră în înțelegerea universului timpuriu
Descoperirea lui QSO1 marchează un moment important în studiul originilor cosmice. Pentru prima dată, astronomii au identificat un sistem în care gaura neagră nu pare să fie produsul unei galaxii mature, ci mai degrabă nucleul în jurul căruia galaxia începe să se formeze.
Dacă observațiile vor fi confirmate și de alte exemple similare, atunci una dintre cele mai vechi întrebări din cosmologie își va găsi răspunsul: în universul timpuriu, găurile negre au apărut înaintea galaxiilor pe care le vedem astăzi. Ele nu au fost doar locatari ai galaxiilor, ci probabil arhitecții lor timpurii.
Sursa: BigThink
