Χρησιμοποιώντας το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb (JWST), αστρονόμοι που παρατηρούσαν μια τεράστια μαύρη τρύπα σε έναν ανέγγιχτο γαλαξία, μόλις 700 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), εντόπισαν μια ένδειξη για το πώς αυτά τα ουράνια τέρατα αναπτύχθηκαν.
Οι παρατηρήσεις ενδέχεται να δείχνουν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο πρώιμο σύμπαν προέκυψαν από τις λεγόμενες πρωταρχικές μαύρες τρύπες, που δημιουργήθηκαν από διακυμάνσεις πυκνότητας αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Αυτή η θεωρία έχει ένα πλεονέκτημα έναντι των υπολοίπων θεωριών για τον σχηματισμό υπερμεγεθών μαύρων τρυπών, που απαιτούν να περάσει χρόνος για να σχηματιστεί και να πεθάνει η πρώτη γενιά μαζικών άστρων και κατόπιν οι μαύρες τρύπες που αυτά γεννούν να συγχωνευτούν και να τραφούν με τεράστιες ποσότητες αερίου και σκόνης.
Η υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που παρατηρήθηκε από το JWST είναι η A2744-QSO1 (QSO1), η οποία έχει μάζα περίπου 10 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου, δηλαδή αντιστοιχεί στο 10% της συνολικής μάζας του γαλαξία που τη φιλοξενεί.
Ένας μικροσκοπικός γαλαξίας με κολοσσιαία μαύρη τρύπα
Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που βλέπουμε στο τοπικό σύμπαν, άρα και σε μεταγενέστερες κοσμικές εποχές, έχουν μάζες τόσο χαμηλές όσο το 0,005% του γαλαξία που τις φιλοξενεί. Όμως ο γαλαξίας που φιλοξενεί την QSO1 δεν είναι απλώς εξαιρετικά μικρός.
Αυτός ο γαλαξίας, όπως φαινόταν πριν από 13 δισεκατομμύρια χρόνια, είναι επίσης φτωχός σε μέταλλα – έναν όρο που χρησιμοποιούν οι αστρονόμοι για τα στοιχεία βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο. Αυτό υποδεικνύει ότι έχει βιώσει ελάχιστες εκρήξεις σουπερνόβα και διασπορά μετάλλων από άστρα που πέθαναν.
«Η QSO1 έχει εξαιρετικά χαμηλή περιεκτικότητα σε οξυγόνο, λιγότερο από 1% της ηλιακής τιμής και αυτό την καθιστά ένα από τα πιο χημικά ανεξερεύνητα συστήματα που έχουν βρεθεί στο πρώιμο σύμπαν», δήλωσε ο Roberto Maiolino, αστροφυσικός στο Εργαστήριο Cavendish του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ, στο Space.com.
«Δεδομένου ότι το οξυγόνο παράγεται γρήγορα από τις πρώτες γενιές άστρων, ο εξαιρετικά χαμηλός βαθμός χημικού εμπλουτισμού δείχνει ότι ο γαλαξίας αυτός είναι πολύ πρωτογενής», πρόσθεσε.
«Αυτό είναι αξιοσημείωτο, επειδή μας δείχνει ότι οι μαύρες τρύπες μπορούν να σχηματιστούν και να μεγαλώσουν πολύ στο πρώιμο σύμπαν χωρίς να συνοδεύονται από έντονη αστρογένεση».
Η QSO1 δεν μπορεί να έχει σχηματιστεί από συγχωνεύσεις πολλών μικρότερων μαύρων τρυπών που προέκυψαν από άστρα που πέθαναν σε σουπερνόβα. Η απουσία μετάλλων δείχνει ότι τέτοιοι θάνατοι άστρων δεν είχαν συμβεί ακόμη σε αυτόν τον γαλαξία όταν τον παρατήρησε το JWST.
Μαύρες τρύπες και «βαριοί σπόροι»
Από τότε που το JWST άρχισε να παρατηρεί το πρώιμο σύμπαν, το ισχυρό διαστημικό τηλεσκόπιο έχει δημιουργήσει ένα πρόβλημα για τους κοσμολόγους: την ανίχνευση υπερμεγεθών μαύρων τρυπών πριν περάσει ένα δισεκατομμύριο έτη από τη Μεγάλη Έκρηξη.
«Το πρότυπο σενάριο είναι ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες προέρχονται από τα υπολείμματα άστρων, δηλαδή μαύρες τρύπες με μάζες μερικών δεκάδων ηλιακών μαζών και μετά μεγαλώνουν συσσωρεύοντας αέριο από το περιβάλλον τους», εξήγησε η Hannah Uebler, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ. «Ωστόσο, υπάρχει ένα θεωρητικό όριο στο πόσο αέριο μπορούν να συσσωρεύσουν και να μεγαλώσουν».
Η Uebler εξήγησε ότι οι μαύρες τρύπες τρέφονται με αυτό το αέριο από πεπλατυσμένα νέφη που τις περιβάλλουν, τα οποία ονομάζονται δίσκοι προσαύξησης. Η τεράστια βαρύτητα αυτών των κεντρικών μαύρων τρυπών δημιουργεί μεγάλη τριβή στον δίσκο, που γίνεται πολύ καυτός και ακτινοβολεί ισχυρά, ιδιαίτερα στην υπεριώδη περιοχή.
«Το φως που εκπέμπει ο δίσκος προσαύξησης ασκεί πίεση στο εισερχόμενο αέριο, εξουδετερώνοντας τη βαρύτητα», είπε η Uebler. «Αν η ακτινοβολιακή πίεση ξεπεράσει τη βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας, τότε θεωρητικά η προσαύξηση πρέπει να σταματήσει. Αυτό είναι το λεγόμενο όριο Eddington».
Αυτό που φαίνεται να βρίσκει το JWST στο πρώιμο σύμπαν είναι μαύρες τρύπες πολύ πιο μαζικές από όσο επιτρέπει αυτό το σενάριο.
«Απλά, σε τόσο πρώιμες εποχές του σύμπαντος, δεν υπήρχε αρκετός χρόνος για να δημιουργηθούν τέτοια τέρατα από μικρούς σπόρους και με περιορισμένη ανάπτυξη λόγω του ορίου Eddington», είπε η Uebler.
Οι επιστήμονες έχουν προτείνει αρκετές θεωρίες για το πώς οι μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να φτάσουν σε υπερμεγέθη κατάσταση μέσα στο πρώιμο σύμπαν.
«Μια πιθανότητα είναι ότι οι μαύρες τρύπες γεννήθηκαν μεγάλες. Αυτό είναι το σενάριο της “μαύρης τρύπας άμεσης κατάρρευσης”», είπε ο Maiolino. «Υπό ορισμένες συνθήκες, πρωτογενή μαζικά νέφη αερίου μπορεί να κατέρρευσαν απευθείας και να σχημάτισαν έναν εξαιρετικά μαζικό πρωτοαστέρα, που θα κατέρρεε σε μια μαύρη τρύπα 100.000 ηλιακών μαζών, ικανή να μεγαλώσει περαιτέρω».
Μια άλλη πιθανότητα, πρόσθεσε, είναι ότι οι πυρήνες των πρώιμων γαλαξιών ήταν εξαιρετικά πυκνοί με άστρα, και οι συγχωνεύσεις αυτών των άστρων και των υπολειμμάτων τους παρήγαγαν μαύρες τρύπες μεσαίας μάζας, χιλιάδες φορές βαρύτερες από τον Ήλιο.
«Ακόμη μια πιθανότητα είναι ότι οι πρώιμες μαύρες τρύπες ήταν “απρόσεκτες” και ξεπέρασαν το όριο Eddington», είπε ο Maiolino. «Ακόμη και σύντομα, επαναλαμβανόμενα επεισόδια αυτής της “υπερ-Eddington προσαύξησης” μπορούν να αυξήσουν ταχύτατα τη μάζα μιας μαύρης τρύπας».
Ωστόσο, τα περισσότερα μοντέλα που εξετάζουν αυτά τα σενάρια δυσκολεύονται να εξηγήσουν ταυτόχρονα την υψηλή μάζα της QSO1, την υψηλή αναλογία μαύρης τρύπας προς τον γαλαξία και τη χαμηλή μεταλλικότητα.
«Στο σενάριο άμεσης κατάρρευσης, η μαύρη τρύπα θα έπρεπε να βρίσκεται κοντά σε περιοχή με έντονο σχηματισμό άστρων», είπε ο Maiolino. «Το αέριο από αυτές τις περιοχές μολύνει γρήγορα το περιβάλλον με μέταλλα όσο η μαύρη τρύπα μεγαλώνει».
«Το σενάριο υπερ-Eddington έχει παρόμοιο πρόβλημα: τα μεγάλα αποθέματα αερίου που χρειάζονται για την προσαύξηση σχηματίζουν πολλά άστρα που εμπλουτίζουν άμεσα το περιβάλλον με μέταλλα».
Η θεωρία των πρωταρχικών μαύρων τρυπών
Ένα άλλο σενάριο προτείνει ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες προήλθαν από πρωταρχικές μαύρες τρύπες, οι οποίες σχηματίστηκαν μέσα στο πρώτο δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
«Σε αυτό το σενάριο, οι υποτιθέμενες πρωταρχικές μαύρες τρύπες ήταν οι πρώτες δομές που σχηματίστηκαν στο σύμπαν, πολύ πριν από τα άστρα και τους γαλαξίες», είπε ο Maiolino.
Αυτό το σενάριο ίσως ταιριάζει καλύτερα με τις παρατηρήσεις της ομάδας στο JWST για την QSO1.
Η έρευνα της ομάδας έχει υποβληθεί στο περιοδικό Nature και εμφανίζεται ως προδημοσίευση στο arXiv.