A James Webb-űrtávcső az eddigi legtávolabbi aktív, szupernagy tömegű fekete lyukat észlelte

7668

Egy kutatócsoport az eddigi legtávolabbi aktív, szupernagy tömegű fekete lyukat fedezte fel a James Webb-űrteleszkóppal. A CEERS 1019 jelű galaxis valamivel több mint 570 millió évvel az ősrobbanás után már létezett, és a benne található fekete lyuk tömege kisebb mint bármely más, a korai univerzumban azonosított fekete lyuké. További két másik kisebb tömegű fekete lyukat azonosítottak, amelyek 1, illetve 1,1 milliárd évvel az ősrobbanás után már léteztek. Ezenkívül még tizenegy galaxist is azonosítottak a Webb mérései alapján, amelyek az univerzum 470-675 millió éves korában már léteztek. A bizonyítékot a Webb Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) felmérése szolgáltatta, amelyet Steven Finkelstein, az austini University of Texas munkatársa vezetett. A program egyesíti a Webb rendkívül részletes közeli és középinfravörös képeit, valamint spektroszkópiai adatait, amelyek felhasználásával ezekhez a felfedezésekhez jutottak.

A James Webb űrtávcső Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) felmérés számára észlelt közeli infravörös képei összefűzve, amelyen számos korábban nem észlelt galaxis látható. A kék színű, fényes előtércsillagok a Webb nyolcágú diffrakciós tüskéit mutatják. A James Webb űrteleszkóp fedélzetén lévő NIRCam (a közeli infravörös kamera) tíz közeli infravörös képét összeillesztve hozták létre ezt a mozaikot. Ezek a megfigyelések ugyanabba a régióba esnek, amelyet a Hubble űrteleszkóp vizsgált Extended Groth Strip néven. Ez a kép a közeli infravörös hullámhossztartományban készült, amelyet a látható fény színeivé alakítottak át. A kép alján látható, hogy melyik NIRCam szűrőket használták az adatgyűjtés során. Az egyes szűrőnevek színe a képen használt látható fény színét mutatja.

A CEERS 1019 nemcsak arról nevezetes, hogy milyen régen keletkezett, hanem arról is, hogy a benne található fekete lyuk tömege viszonylag kicsi. Ez a fekete lyuk kb. 9 millió naptömegű, sokkal kisebb, mint más fekete lyukak, amelyek a korai univerzumban léteztek. Ezek a behemótok általában a Nap tömegénél több mint 1 milliárdszor nagyobbak – és könnyebben észlelhetők, mert sokkal fényesebbek, mivel aktívan „eszik” az anyagot, ami világít, amikor a fekete lyuk felé örvénylik. A CEERS 1019-ben lévő fekete lyuk jobban hasonlít a Tejútrendszer közepén lévő fekete lyukhoz, amelynek tömege 4,6 milliószorosa a Napénak, és nem olyan fényes, mint a korábban észlelt nagyobb tömegű behemótok. A kutatók már régóta tudják, hogy kisebb fekete lyukak már a korai univerzumban is keletkeztek, de a Webb megfigyelései előtt nem tudták ezeket egyértelműen észlelni. (Lehet, hogy a CEERS 1019 csak néhány hétig tartja ezt a rekordot, mivel a Webb által azonosított, távolabbi fekete lyukakra vonatkozó állításokat jelenleg a csillagászati közösség vizsgálja felül.)

A Webb méréseiből precíz információk kaphatók. „Erre a távoli objektumra nézni ezzel a teleszkóppal olyan, mintha a sajátunkhoz közeli galaxisokban lévő fekete lyukak adatait néznénk” – mondta Rebecca Larson, az austini Texasi Egyetem munkatársa, a kutatócsoport vezetője. „Nagyon sok spektrumvonal áll rendelkezésre, hogy elemezzük.” Így nemcsak azt tudták megfejteni, hogy a spektrum melyik emissziós vonalai származnak a fekete lyukból és melyek a gazdagalaxisból, hanem azt is, hogy mennyi gázt nyelt el a fekete lyuk, valamint meghatározták a csillagkeletkezés sebességét a galaxisban.

A gazdagalaxisok távolságának összetéveszthetetlen jelei, amelyek minden spektrumban megtalálhatók: három vonal jelenik meg ugyanabban a sorrendben – egy hidrogénvonal, majd két ionizált oxigénvonal. Ahol ez a mintázat megtalálható, meghatározható a célpontok vöröseltolódása, megmutatva a kutatóknak, milyen régen bocsátották ki fényüket. Az első spektrum azt bizonyítja, hogy a CEERS 2782 fekete lyuk csaknem 1,1 milliárd évvel az ősrobbanás után létezett, és 12,7 milliárd évvel ezelőtt bocsátotta ki fényét. A Webb adatai azt is mutatják, hogy környezete pormentes. A második, a CEERS 746 valamivel korábban, 1 milliárd évvel az ősrobbanás után létezett, de fényes akkréciós korongját még részben elhomályosítja a por.

A kutatócsoport azt találta, hogy a CEERS 1019 galaxis annyi gázt nyel el, amennyit csak tud, miközben új csillagok is keletkeznek. Hogy kiderítsék ennek okát, a képekhez fordultak, amelyeken az látszott, hogy a CEERS 1019 három fényes csomóként jelenik meg, nem pedig egyetlen kör alakú korongnak. „Nem szoktunk ennyi struktúrát látni a képeken ilyen távolságban” – mondta a CEERS csapat tagja, Jeyhan Kartaltepe, a New York-i Rochester Institute of Technology munkatársa. „A galaxisok egyesülése részben felelős lehet a fekete lyukban zajló tevékenységért, valamint a csillagképződés fokozódásához is vezethet.”

A CEERS felmérés kiterjedt, és még sok felfedeznivalót rejteget. A kutatócsoport tagja, Dale Kocevski (Colby College in Waterville, Maine) és a kutatócsoport néhány újabb kis tömegű fekete lyukat észlelt az adatokban. A legkönnyebben azonosítható ilyen a CEERS 2782 galaxison belül található. Semmiféle por nem takarja el, ami nehezítené a Webb számára az észlelést, így a kutatók azonnal meg tudták állapítani, hogy mindössze 1,1 milliárd évvel az ősrobbanás után már létezett ez a fekete lyuk. A második fekete lyuk, amely a CEERS 746 galaxisban található, valamivel korábban, 1 milliárd évvel az ősrobbanás után létezett. Fényes akkréciós korongját és egy gázból és porból álló gyűrűt, amely körülveszi a szupernagy tömegű fekete lyukat, részben még mindig elhomályosítja a por. „A központi fekete lyuk látható, de a por jelenléte azt sugallja, hogy egy olyan galaxisban lehet, amelyben szintén nagy számban keletkeznek csillagok” – magyarázta Kocevski.

A CEERS 1019-hez hasonlóan ez a két fekete lyuk is „könnyű súlyú” – legalábbis összehasonlítva a korábban ismert ilyen nagy távolságban található szupernagy tömegű fekete lyukakkal. Csak körülbelül 10 milliószor múlják felül a Nap tömegét. „A kutatók régóta tudják, hogy a korai univerzumban kisebb tömegű fekete lyukaknak kell lenniük. A Webb az első obszervatórium, amely ilyen tisztán tudja rögzíteni őket” – tette hozzá Kocevski. „Most úgy gondoljuk, hogy kisebb tömegű fekete lyukak mindenhol megtalálhatók, és csak felfedezésre várnak.” A Webb előtt mindhárom fekete lyuk túl halvány volt ahhoz, hogy észlelni lehessen azokat. „Más teleszkópokkal ezek a célpontok közönséges csillagképző galaxisoknak tűnnek, nem pedig aktív, szupernagy tömegű fekete lyukaknak” – tette hozzá Finkelstein.

Az univerzumban jelenleg ismert legtávolabbi aktív, szupernagy tömegű fekete lyukak. A vízszintes tengelyen az univerzum kora, a függőleges tengelyen pedig az észlelt fekete lyukak tömege látható. Számos teleszkóp segítségével azonosították ezeket az űrben és a földön egyaránt. A James Webb űrteleszkóp Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) felmérése nemrégiben hármat azonosított. A legtávolabbi fekete lyuk a CEERS 1019, amely alig több mint 570 millió évvel az ősrobbanás után már létezett. A CEERS 746 egymilliárd évvel az ősrobbanás után már megvolt. A harmadik helyen jelenleg a CEERS 2782 áll, amely 1,1 milliárd évvel az ősrobbanás után létezett.

Webb érzékeny spektrumai azt is lehetővé tették, hogy a kutatók megmérjék a korai univerzum galaxisainak pontos távolságát és így korukat is. A csapat tagjai, Pablo Arrabal Haro, az NSF NOIRLab munkatársa és Seiji Fujimoto, az austini Texasi Egyetem munkatársa 11 galaxist azonosítottak, amelyek 470–675 millió évvel az ősrobbanás után léteztek. Nemcsak rendkívüli távolságuk figyelemre méltó, hanem az a tény is, hogy olyan sok fényes galaxist észleltek. A kutatók elmélete szerint a Webb kevesebb galaxist észlelne, mint amennyi ilyen távolságban található. „Lenyűgözött a Webb által mért távoli galaxisok rendkívül részletes spektruma” – mondta Arrabal Haro. „Ezek az adatok teljesen hihetetlenek.”

Ezekben a galaxisokban gyorsan keletkeznek a csillagok, de kémiailag még nem dúsultak fel annyira, mint a hozzánk sokkal közelebbi galaxisok. „A Webb volt az első, amely néhány ilyen galaxist észlelt” – magyarázta Fujimoto. „Ez a halmaz, valamint más távoli galaxisok, amelyeket a jövőben azonosíthatunk, megváltoztathatják a csillagkeletkezésről és a galaxisok evolúciójáról alkotott elképzeléseinket a kozmikus történelem során” – tette hozzá.

Ezek csak az első úttörő eredmények a CEERS felméréséből. „Eddig a korai univerzum objektumaival kapcsolatos kutatások nagyrészt elméleti jellegűek voltak” – mondta Finkelstein. „A Webb segítségével nemcsak fekete lyukakat és galaxisokat láthatunk extrém távolságban, hanem elkezdhetjük pontosan megmérni azokat. Ez ennek a teleszkópnak a hatalmas ereje.” A jövőben előfordulhat, hogy a Webb adatait arra is felhasználhatják, hogy megmagyarázzák, hogyan alakultak ki a korai fekete lyukak, felülvizsgálva a kutatók modelljeit arról, hogyan nőttek és fejlődtek a fekete lyukak az univerzum történetének első néhány százmillió évében.

Forrás: Webb Space Telescope

Hozzászólás

hozzászólás