Όταν το James Webb Space Telescope (JWST) ξεκίνησε να λειτουργεί, παρείχε τις πρώτες εικόνες της περιόδου που είναι γνωστή ως Cosmic Dawn.
Αυτή η κοσμολογική εποχή, η οποία έλαβε χώρα μεταξύ 50 εκατομμυρίων και ενός δισεκατομμυρίου ετών μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, ήταν η στιγμή που σχηματίστηκαν τα πρώτα αστέρια και γαλαξίες στο Σύμπαν. Οι παρατηρήσεις του Webb αποκάλυψαν ευρήματα που ξάφνιασαν τους επιστήμονες. Εκτός από τα πολυάριθμα «Little Red Dots» (LRDs), ιδιαίτερα φωτεινούς και κόκκινους γαλαξίες, παρατηρήθηκαν και οι «σπόροι» των Supermassive Black Holes (SMBHs).
Αυτά τα ευρήματα έρχονταν σε αντίθεση με τα υπάρχοντα κοσμολογικά μοντέλα, αφού οι LRDs και οι μαύρες τρύπες φαίνονταν υπερβολικά μεγάλες για να έχουν σχηματιστεί λιγότερο από 1 δισ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτό οδήγησε τους επιστήμονες στην ανάπτυξη νέων θεωριών για τον σχηματισμό άστρων και μαύρων τρυπών κατά την Κοσμική Αυγή και όπως αναλύει ο Matthew Williams.
Μαύρες τρύπες: Η θεωρία Pop III.1
Σε μια νέα θεωρητική μελέτη, ο αστροφυσικός Jonathan Tan από το Πανεπιστήμιο της Βιρτζίνια προτείνει ένα συνολικό πλαίσιο για τη γέννηση των SMBHs, υποστηρίζοντας ότι σχηματίστηκαν ως απομεινάρια των πρώτων άστρων του Σύμπαντος.
Ο Tan είναι ερευνητής καθηγητής στο Τμήμα Αστρονομίας του College and Graduate School of Arts & Sciences, καθώς και καθηγητής στο Chalmers University of Technology στη Σουηδία. Το άρθρο του, που περιγράφει τη θεωρία «Pop III.1», δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Astrophysical Journal Letters. Εκτός από την εξήγηση για τον σχηματισμό των σπόρων των SMBHs, η θεωρία αυτή μπορεί να αλλάξει την κατανόησή μας για την κοσμολογική περίοδο γνωστή ως Εποχή Επαναϊονισμού.
Η κοσμική επανιονιστική εποχή
Σύμφωνα με το επικρατέστερο μοντέλο Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM), το Σύμπαν καλύφθηκε από σκοτάδι λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, σε μια περίοδο που ονομάζεται Cosmic Dark Ages. Τότε το Σύμπαν πλημμύριζε από ουδέτερο υδρογόνο. Οι μοναδικές πηγές φωτός ήταν οι φωτόνια της Κοσμικής Μικροκυματικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου (CMB) και εκείνα που προήλθαν από τον επανιονισμό του υδρογόνου μέσω της υπεριώδους ακτινοβολίας των πρώτων άστρων, τα λεγόμενα Population III.
Γι’ αυτό και η περίοδος αυτή, που εκτείνεται από 380.000 έως 1 δισ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, αποκαλείται «Epoch of Reionization». Είναι γνωστό ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες βρίσκονται στο κέντρο των γαλαξιών και επηρεάζουν την εξέλιξή τους. Όμως οι παρατηρήσεις του Webb έδειξαν ότι οι σπόροι αυτών των μαύρων τρυπών ήταν μεγαλύτεροι από ό,τι επιτρέπει το κυρίαρχο μοντέλο, αναζωπυρώνοντας τη συζήτηση.
Δύο σχολές σκέψης
Κάποιοι επιστήμονες θεωρούσαν ότι οι SMBHs σχηματίστηκαν από μικρότερες μαύρες τρύπες, δηλαδή τα κατάλοιπα των Population III stars. Άλλοι υποστήριζαν ότι προήλθαν από τεράστια νέφη αερίων που κατέρρευσαν χωρίς να γίνουν άστρα – οι λεγόμενες Direct Collapse Black Holes (DCBHs). Το μοντέλο Pop III.1 του Tan ευθυγραμμίζεται με αυτή τη δεύτερη θεωρία.
Όπως εξήγησε ο Tan:
«Το μοντέλο μας απαιτεί οι υπερμεγέθεις αστρικοί πρόγονοι των μαύρων τρυπών να ιονίσαν γρήγορα το υδρογόνο του Σύμπαντος, ανακοινώνοντας τη γέννησή τους με εκτυφλωτικές λάμψεις που γέμισαν τον χώρο. Αυτή η φάση ιονισμού, που έγινε νωρίτερα από εκείνη των κανονικών γαλαξιών, μπορεί να λύσει αινίγματα της κοσμολογίας όπως η «Hubble Tension», η «Dynamic Dark Energy» και η προτίμηση για «Negative Neutrino Masses». Είναι μια σύνδεση που δεν περιμέναμε, αλλά ίσως αποδειχθεί βαθιά σημαντική».
Η σημασία των παρατηρήσεων Webb
Υπάρχουν ενδείξεις για DCBHs εδώ και χρόνια, από παράξενα quasars που υπήρχαν μόλις 500 εκατ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Χάρη όμως στο Webb, οι αστρονόμοι βλέπουν για πρώτη φορά άμεσες αποδείξεις αυτών των πρώιμων μαύρων τρυπών. Ο Richard Ellis, κορυφαίος παρατηρησιακός κοσμολόγος στο University College London, δήλωσε:
«Ο καθηγητής Tan ανέπτυξε ένα κομψό μοντέλο που εξηγεί μια διαδικασία δύο σταδίων στη γέννηση άστρων και στον ιονισμό του πρώιμου Σύμπαντος. Είναι πιθανό τα πρώτα άστρα να σχηματίστηκαν σε μια σύντομη, λαμπρή έκρηξη και μετά να εξαφανίστηκαν — πράγμα που σημαίνει ότι αυτό που βλέπουμε με το James Webb Telescope μπορεί να είναι το δεύτερο κύμα. Το Σύμπαν, φαίνεται, εξακολουθεί να μας επιφυλάσσει εκπλήξεις».
