Czarna dziura wyprzedziła swoją galaktykę. Teleskop Webba potwierdza przewrót w kosmologii

Które było pierwsze — jajko czy kura? W kosmologii podobny dylemat dotyczył galaktyk i supermasywnych czarnych dziur. Naukowcy od lat zakładali, że najpierw formują się galaktyki, a w ich centrach, w wyniku ewolucji gwiazd, rodzą się czarne dziury. Tymczasem najnowsze dane z Teleskopu Webba wywracają ten schemat do góry nogami. Okazuje się, że niektóre supermasywne czarne dziury istniały, zanim jeszcze zdążyła uformować się ich galaktyka.

Mała czerwona kropka o wielkim znaczeniu

→ Czytaj też: Trzecia najjaśniejsza supernowa w historii. Co mówi nam o młodości Wszechświata?

Kluczem do odkrycia jest obiekt Abell2744-QSO1 (w skrócie QSO1) — przedstawiciel tzw. Małych Czerwonych Kropek, tajemniczych obiektów z wczesnego Wszechświata. Istniał on zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu przez gromadę Abell 2744 (zwaną Gromadą Pandory) QSO1 jest widoczny aż w trzech miejscach na niebie, a jego obraz jest dodatkowo powiększony. To pozwoliło naukowcom na szczegółowe zbadanie jego budowy.

Wcześniejsze analizy sugerowały, że QSO1 może być jedynie obłokiem świecącego wodoru i helu krążącym wokół czarnej dziury o masie około 40 milionów mas Słońca. Jednak brakowało twardych dowodów. Jak wyjaśnia Francesco D’Eugenio z University of Cambridge, cytowany w komunikacie NASA: „Przedtem wszystkie pomiary mas czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie były pośrednie, oparte na założeniach z tego, co wiemy o nich w lokalnym Wszechświecie. Nie wiedzieliśmy, czy te założenia naprawdę odnoszą się do odległego Wszechświata”.

Keplerowska perfekcja w sercu obiektu

→ Czytaj też: Pierścień galaktyk o średnicy 1,3 miliarda lat świetlnych. Nie powinien istnieć

Zespół badawczy, kierowany przez doktoranta Ignasa Juodžbalisa z Cambridge oraz Cosimo Marconciniego z Uniwersytetu we Florencji, zastosował spektrograf NIRSpec z jednostką pola całkowania (IFU), by prześledzić ruch gazu wokół QSO1. Kiedy wykreślili prędkość rotacji w funkcji odległości od centrum, odkryli coś niezwykłego: gaz porusza się zgodnie z prawami Keplera, tak jak planety w Układzie Słonecznym.

„To ważne, ponieważ mówi nam, że większość masy QSO1 jest skoncentrowana w czarnej dziurze w centrum” — wyjaśnia Juodžbalis. „Gdyby masa była bardziej rozłożona, co miałoby miejsce, gdyby było tam wiele gwiazd, gaz nie wykazywałby tej perfekcyjnej rotacji keplerowskiej”. Dzięki prostym prawom grawitacji astronomowie mogli po raz pierwszy bezpośrednio obliczyć masę czarnej dziury.

Wyniki: 50 milionów mas Słońca i prawie żadnych gwiazd

Obliczenia wykazały, że czarna dziura w QSO1 ma około 50 milionów mas Słońca. Co jeszcze bardziej zaskakujące, stanowi ona co najmniej dwie trzecie całkowitej masy obiektu. Dla porównania, w dzisiejszych galaktykach supermasywne czarne dziury to zaledwie ułamek procenta masy galaktyki. Ponadto mapy składu chemicznego gazu wykazały, że QSO1 składa się niemal wyłącznie z wodoru i helu. Metali — pierwiastków cięższych, powstających w gwiazdach — jest mniej niż 0,5% zawartości w Słońcu. To jeden z najdziewiczniejszych środowisk galaktycznych, jakie kiedykolwiek zmierzono. Oznacza to, że w QSO1 prawie nie było gwiazd, gdy czarna dziura osiągnęła już gigantyczne rozmiary.

Paradygmat przewrócony na głowę

Odkrycie to jest fundamentalne dla naszego rozumienia wczesnego Wszechświata. „To niezwykłe znalezisko” — mówi Roberto Maiolino, współautor badań opublikowanych w Nature i Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. „To zmiana paradygmatu, całkowite przewartościowanie klasycznych scenariuszy powstawania i wzrostu czarnych dziur”.

Dotychczas uważano, że supermasywne czarne dziury rosną stopniowo — z małych, gwiazdowych „nasion”, które łączą się i pochłaniają materię. Jednak aby osiągnąć masę 50 milionów słońc w ciągu zaledwie 700 milionów lat, potrzebny byłby niemożliwie szybki wzrost. QSO1 wskazuje na inne rozwiązanie:

• Nasiona pierwotne — czarne dziury, które powstały w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu z ekstremalnych fluktuacji gęstości.
• Bezpośredni kolaps — zapadnięcie się gigantycznego obłoku gazu w czarną dziurę, z pominięciem etapu gwiazdowego.

Niezależnie od scenariusza, QSO1 urodziła się jako olbrzym. Co więcej, naukowcy sądzą, że dopiero zaczyna budować wokół siebie galaktykę. Jak podsumowuje Juodžbalis: „Wygląda na to, że znaleźliśmy czarną dziurę, która nie ma znaczącej galaktyki gospodarza i która poprzedziła procesy gwiazdowe”.

Co dalej? Konsekwencje dla kosmologii

Zespół uważa, że Małe Czerwone Kropki takie jak QSO1 nie mogły być rzadkością we wczesnym Wszechświecie. Trwają już analizy podobnych obiektów, które mają odpowiedzieć na kluczowe pytanie: czy supermasywne czarne dziury rzeczywiście poprzedzały powstawanie większości galaktyk? Jeśli tak, nasze modele kosmologiczne będą wymagać głębokiej rewizji. Webb po raz kolejny udowodnił, że Wszechświat potrafi zaskakiwać — a jego najciemniejsze zakątki kryją klucze do zrozumienia początków wszystkiego.