Universul timpuriu surprins de telescopul James Webb: quasari solitari și găuri negre supermasive9 min read

Un studiu recent arată că, la doar câteva sute de milioane de ani după Big Bang, universul era mult mai complex decât se credea, cu quasari solitari alimentați de găuri negre supermasive.

Cu ajutorul telescopului spațial James Webb (JWST), o echipă de cercetători a studiat// „EIGER. VI. The Correlation Function, Host Halo Mass, and Duty Cycle of Luminous Quasars at z ≳ 6”, iopscience.iop.org // cinci dintre cei mai timpurii quasari cunoscuți, de pe vremea când universul avea între 600 și 700 de milioane de ani. 

Ei au descoperit că zonele în care se găseau acei quasari, cunoscute sub numele de „câmpuri de quasari”, erau foarte variate. Dacă unele dintre aceste câmpuri erau dens populate, așa cum sugerează modelele teoretice, altele erau în regiuni pustii, cărora le lipsea densitatea necesară pentru a susține creșterea unor găuri negre de asemenea dimensiuni.

„Contrar așteptărilor, acești quasari nu se află neapărat în regiunile cu cea mai mare densitate din universul timpuriu,” a declarat Anna-Christina Eilers, lector universitar în fizică la Massachusetts Institute of Technology. „Este dificil de înțeles cum aceste găuri negre au atins o asemenea masă, dacă nu au avut o sursă consistentă de materie.”

În universul modern, găurile negre supermasive se află de obicei în centrele galaxiilor mari. Din cauza dimensiunii lor, oamenii de știință sunt siguri că ele nu se formează în mod similar găurilor negre obișnuite, „găuri negre stelare”, care apar în urma colapsului unor stele masive. Pentru a ajunge la mase de miliarde de ori mai mari decât cea a Soarelui, găurile negre supermasive ar trebui să crească prin fuziunea unor găuri negre din ce în ce mai mari – așadar, printr-un proces de acumulare de materie care ar trebui să dureze mai bine de un miliard de ani. 

Și totuși, telescopul James Webb observă găuri negre supermasive la doar câteva sute de milioane de ani după Big Bang.

Ipoteza actuală sugerează că găurile negre supermasive cresc într-un mediu plin de gaz, un nucleu galactic activ, din care se hrănesc. În acest proces, norii de gaz și praf din jurul găurii negre strălucesc intens datorită masei uriașe a găurii negre, și produc o lumină de o intensitate mult mai strălucitoare decât a tuturor stelelor galaxiei gazdă. Această lumină face quasarii vizibili.

Totuși, aceste găuri negre masive depind de un flux constant de materie care să le alimenteze, iar sursele trebuie să fie stabile. „Este incredibil să avem un telescop precum James Webb, care poate surprinde detalii de acum 13 miliarde de ani,” a spus Eilers. „Pentru prima dată, putem analiza mediul acestor quasari și modul în care au crescut.”

Pentru a înțelege mai bine împrejurimile quasarilor, echipa a analizat, între august 2022 și iunie 2023, cinci regiuni alimentate de găuri negre supermasive. Prin separarea diferitelor lungimi de undă ale luminii, cercetătorii au identificat galaxii din vecinătatea quasarilor și-au măsurat distanțele dintre acestea și quasarul central. 

Surpriza a fost să afle că mediile quasarilor s-au dovedit extrem de diverse: unii dintre ei se aflau înconjurați de aproape 50 de galaxii, în timp ce alții aveau doar două galaxii în apropiere.

Descoperirea acestei variații între câmpurile de quasari ridică întrebări legate de mecanismul de formare a găurilor negre supermasive și chiar despre formarea galaxiilor. Conform modelelor actuale, evoluția cosmică a fost ghidată de o „rețea” de materie întunecată, o structură invizibilă care reprezintă 85% din masa totală a universului. Materia întunecată formează filamente ce transportă gaz și praf, conectând regiuni dense unde apar galaxiile și quasarii.

„Rețeaua de materie întunecată este esențială în cosmologia actuală și poate fi descrisă în detaliu prin simulări numerice,” a declarat Elia Pizzati, liderul echipei, în cadrul studiului. „Comparația între observațiile noastre și aceste simulări ne permite să localizăm quasarii în cadrul rețelei cosmice.”

Găurile negre supermasive situate la intersecțiile acestei rețele de materie întunecată ar trebui, teoretic, să crească rapid, acumulând constant gaz și praf. Cu toate acestea, mulți dintre quasarii observați par să fie localizați în „pustietate,” contrar previziunilor.

Întrebarea principală, spune Eilers, este cum au reușit aceste găuri negre să atingă mase de miliarde de ori mai mari decât cea a Soarelui într-un univers atât de tânăr. Mediile sterile din jurul unor quasari sugerează lipsa materiei întunecate și a nodurilor dens populate, punând astfel la îndoială modelele actuale privind formarea și creșterea găurilor negre supermasive.

O posibilă explicație este că acești quasari sunt înconjurați de praf cosmic care îi face invizibili, iar echipa plănuiește să rafineze observațiile asupra acestor câmpuri „goale” pentru a verifica această ipoteză.

„Descoperirile noastre arată că lipsesc încă elemente esențiale în înțelegerea creșterii găurilor negre supermasive,” spune Eilers. „Dacă acești quasari nu au suficientă materie în jur pentru a-și susține creșterea, înseamnă că există alte mecanisme despre care încă nu știm nimic.”