La peste 12,5 miliarde de ani-lumină de Pământ, într-o singură galaxie din Universul timpuriu, trei găuri negre supermasive se hrănesc activ în același timp. Descoperirea, realizată de o echipă internațională de cercetători condusă de Institutul Max Planck pentru Fizică Extraterestră (MPE), oferă o perspectivă rară asupra felului în care găurile negre uriașe au crescut și au interacționat în primele etape ale Universului.
„Aceasta este prima dovadă că există trei găuri negre active într-o singură galaxie din Universul îndepărtat”, a declarat Hannah Übler, șefa grupului de cercetare de la MPE și autoarea principală a studiului.
Cele trei găuri negre se află în galaxia J0148-4214 și acumulează activ materie, care cade în spirală spre ele prin discurile de gaz și alte materiale care le înconjoară. Întrucât galaxia este atât de îndepărtată, lumina ei a călătorit prin spațiu aproximativ 12,5 miliarde de ani înainte să ajungă pe Pământ, ceea ce înseamnă că astronomii o observă așa cum era la doar 1,2 miliarde de ani după Big Bang. Pe asemenea distanțe, expansiunea Universului întinde lumina către lungimi de undă mai mari și mai roșii. Astronomii măsoară acest efect prin Fenomen prin care expansiunea spațiului alungește undele luminoase ale galaxiilor îndepărtate spre capătul roșu al spectrului, permițându-le astronomilor să calculeze distanța și vârsta obiectelor cosmice., iar pentru J0148-4214 au obținut valoarea Parametru care arată de câte ori s-a alungit lumina în timpul călătoriei prin Universul în expansiune. Valoarea z=5,02 corespunde unei lumini emise când Universul avea doar 1,2 miliarde de ani., pe baza căreia i-au determinat distanța remarcabilă.
În interiorul galaxiei, două dintre găurile negre se află aproape de centru, despărțite de o Distanța minimă dintre două obiecte cosmice așa cum apar ele proiectate pe cer, privite de pe Pământ, fără a ști cât de mult se află unul în fața celuilalt pe linia de vizare. de numai 620 de ani-lumină, în timp ce a treia este situată mult mai departe, la aproximativ 5.500 de ani-lumină de regiunea centrală. Prezența lor în același sistem oferă dovezi importante despre cum s-au reunit găurile negre masive în Universul tânăr.
„Aceasta sugerează că procesele din Universul timpuriu au fost eficiente în reunirea găurilor negre masive, pregătind terenul pentru fuziunile de găuri negre masive pe care ne așteptăm să le detectăm cu viitoarele observatoare de Ondulații invizibile în structura spațiu-timpului, produse de evenimente cosmice extreme — precum ciocnirea și fuziunea găurilor negre — care se propagă prin Univers cu viteza luminii.”, a explicat Übler. Astronomii consideră că, în istoria timpurie a Universului, ciocnirile și fuziunile dintre galaxii erau frecvente: pe măsură ce galaxiile se uneau, găurile lor negre centrale se puteau apropia și, în cele din urmă, fuziona. Aceste fuziuni ar fi produs găuri negre tot mai masive în centrul galaxiilor nou formate, ceea ce ar putea contribui la explicarea felului în care unele dintre ele au ajuns la dimensiuni enorme atât de repede după Big Bang.
Mișcarea gazului de hidrogen a trădat două găuri negre centrale pe care telescopul nu le putea distinge separat
Cercetătorii au identificat cele trei găuri negre analizând tiparele distinctive ale luminii emise de gazul de hidrogen. În apropierea unei găuri negre, forțele gravitaționale puternice determină gazul să se miște cu viteze extrem de mari, iar aceste mișcări lasă semnături recognoscibile în spectrul luminii, permițându-le astronomilor să detecteze activitatea găurilor negre chiar și atunci când obiectele în sine nu pot fi văzute direct.
În centrul galaxiei J0148-4214, echipa a descoperit un tipar de emisie a hidrogenului deosebit de complex. Cea mai plauzibilă explicație a fost prezența a două găuri negre aflate la distanță mică una de cealaltă, mai degrabă decât a unei singure surse. Pentru a le distinge, oamenii de știință au folosit o tehnică de măsurare precisă numită Tehnică de înaltă precizie care combină analiza luminii pe lungimi de undă (spectroscopia) cu măsurarea poziției (astrometria) pentru a separa surse cosmice prea apropiate ca să apară distinct într-o imagine.: urmărind schimbările subtile ale pozițiilor emisiilor spectrale în întreaga galaxie, au reușit să localizeze ambele găuri negre centrale, chiar dacă telescopul nu le-a putut distinge ca două puncte de lumină separate. Observațiile au scos totodată la iveală și a treia gaură neagră activă, în regiunea exterioară a galaxiei.
Cea mai mică dintre cele trei găuri negre înghite materie mai repede decât prevăd modelele de bază
Cele trei găuri negre diferă enorm ca mărime: conform calculelor cercetătorilor, masele lor sunt de aproximativ 80 de milioane, 600.000 și 2 milioane de ori mai mari decât masa Soarelui.
În mod surprinzător, nu cea mai mare gaură neagră se hrănește cel mai agresiv. Vecina ei mai mică, cu o masă de aproximativ 600.000 de mase solare, acumulează materie într-un ritm mult mai rapid. De fapt, rata ei estimată de acumulare depășește valoarea maximă prevăzută de modelele de bază privind creșterea găurilor negre Pragul teoretic de viteză cu care o gaură neagră poate înghiți materie. Peste acest nivel, radiația intensă emisă de gazul încins din jur ar trebui să împingă materia înapoi, oprind hrănirea., iar această creștere neobișnuit de rapidă ar putea oferi indicii despre cum au ajuns unele găuri negre să aibă o masă extraordinară în timpul relativ scurt disponibil în Universul timpuriu.
„Datele JWST ne-au permis nu numai să identificăm cele trei găuri negre, ci și să le estimăm masele, ratele de acreție și masa stelară a galaxiei. Am constatat o masă stelară totală de aproximativ 1,3 miliarde de mase solare, iar găurile negre reprezintă o fracțiune semnificativă din aceasta”, a precizat dr. Giovanni Mazzolari, al doilea autor al studiului și cercetător la MPE.
Două găuri negre se îndreaptă spre fuziune, iar a treia ar putea fi rezultatul unui recul gravitațional
Potrivit estimărilor, cele două găuri negre aflate în apropierea centrului galaxiei vor fuziona în următoarele câteva sute de milioane de ani. Coliziunea lor ar putea contribui în cele din urmă la formarea unei găuri negre și mai masive, ilustrând un proces care ar fi putut fi esențial pentru creșterea celor mai vechi giganți cosmici ai Universului.
„Aceste rezultate sunt extrem de interesante. Ele sugerează că fuziunea găurilor negre ar putea fi o cale suplimentară și rapidă pentru creșterea lor accelerată în Universul timpuriu”, a adăugat Roberto Maiolino, profesor la Universitatea din Cambridge și coautor al studiului.
A treia gaură neagră ridică o altă enigmă. Situată la o distanță considerabilă de centrul galaxiei, ea ar putea fi rămășița unei fuziuni anterioare, împinsă spre exterior de un puternic recul gravitațional. Un astfel de recul poate apărea atunci când găurile negre aflate în fuziune emit unde gravitaționale inegal, trimițând gaura neagră rezultată în direcția opusă. O altă posibilitate este ca a treia gaură neagră să se deplaseze treptat spre centrul galaxiei, unde ar putea interacționa în cele din urmă cu celelalte două.
Fără instrumentele lui James Webb, cele trei găuri negre ar fi părut o singură sursă de lumină
Descoperirea evidențiază capacitățile remarcabile ale Telescopului Spațial James Webb (JWST) în studierea găurilor negre din galaxiile îndepărtate și demonstrează, în special, importanța spectroscopiei de câmp integral, care le permite astronomilor să examineze cum variază lumina și semnăturile ei spectrale în diferite părți ale unei galaxii. Folosind spectrograful în infraroșu apropiat al telescopului Webb în modul său de spectroscopie de câmp integral (NIRSpec-IFS), cercetătorii au reușit să separe semnalele care, altfel, ar fi părut să provină de la o singură gaură neagră.
Fără aceste informații spațiale detaliate, astronomii ar fi identificat probabil doar una dintre cele trei găuri negre active din galaxia J0148-4214. Rezultatele sugerează astfel că și alte galaxii îndepărtate ar putea conține mai multe găuri negre în creștere care au rămas până acum nedetectate, iar descoperirea unui număr mai mare de asemenea sisteme ascunse i-ar putea ajuta pe oamenii de știință să reconstituie istoria fuziunilor dintre găurile negre și să înțeleagă mai bine cum a produs Universul cele mai masive găuri negre ale sale atât de devreme în istoria cosmică.
Ce s-a mai descoperit în Univers?
Astronomii pun cele mai puternice erupții ale unei stele pe seama unui motor magnetic neașteptat
Două găuri negre uriașe s-ar putea ciocni în doar 100 de ani. Cum au stabilit cercetătorii acest lucru
Nucleul Pământului eliberează tot felul de materiale ținute captive încă de la nașterea planetei
Oamenii de știință ar fi rezolvat, în sfârșit, misterul celor două fețe ale Lunii
