През последните няколко десетилетия астрономите успяха да погледнат по-далеч във Вселената (а също и назад във времето), почти до самото начало на Вселената. По този начин те научиха много за някои от най-ранните галактики във Вселената и последващата им еволюция. Въпреки това, все още има някои неща, които все още са извън границите, например, когато за пръв път се появяват галактики със свръхмасивни черни дупки (SMBHs) и масивни струи.
Според последните проучвания на Международната школа за напреднали проучвания (SISSA) и екип от астрономи от Япония и Тайван предоставят нова представа за това как свръхмасивните черни дупки започват да се образуват само 800 милиона години след Големия взрив, а релативистките струи по-малко от 2 милиарда години след. Тези резултати са част от нарастващ случай, който показва как масивните обекти в нашата Вселена са се образували по-рано, отколкото сме предполагали.
Астрономите знаят за SMBH от повече от половин век. След време те разбрали, че повечето масивни галактики (включително Млечния път) ги намират в своите ядра. Ролята, която играят в еволюцията на галактиките, също е била обект на проучване, като съвременните астрономи стигат до заключението, че те са пряко свързани със скоростта на образуване на звезди в галактиките.
По същия начин астрономите са установили, че SMBH имат плътни дискове за натрупване около тях, където газ и прах се ускоряват, за да се доближат до скоростта на светлината. Това кара центъра на някои галактики да стане толкова ярък - това, което е известно като активни галактически ядра (AGNs) - че те засенчват звездите в дисковете си. В някои случаи тези дискове за натрупване водят до струи горещ материал, които могат да се видят от милиарди светлинни години.
Според конвенционалните модели галактиките не са имали достатъчно време да развият централни черни дупки, когато Вселената е била на по-малко от милиард години (преди около 13 милиарда години). Скорошните наблюдения обаче показват, че по това време в центъра на галактиките вече се образуват черни дупки. В отговор на това екип от учени от SISSA предложи нов модел, който предлага възможно обяснение.
За тяхното проучване, което беше ръководено от Lumen Boco - доктор на науките. студент от Института по фундаментална физика на Вселената (IFPU) - екипът започна с добре познатия факт, че SMBH растат в централните райони на ранните галактики. Тези обекти, потомците на елиптичните галактики днес, имаха много висока концентрация на газ и изключително интензивна скорост на образуване на нови звезди.
Първите поколения звезди в тези галактики бяха краткотрайни и бързо се развиха в черни дупки, които бяха сравнително малки, но значителни по брой. Плътният газ, който ги заобикаля, доведе до значително динамично триене и ги накара бързо да мигрират до центъра на галактиката. Тук те се обединиха, за да създадат семената на свръхмасивни черни дупки - които бавно нарастваха с времето.
Както изследователският екип обясни в неотдавнашното съобщение на SISS:
„Според класическите теории, супермасивна черна дупка расте в центъра на галактика, улавяща заобикалящата материя, главно газ,„ отглеждайки я “върху себе си и накрая я поглъщайки в ритъм, пропорционален на нейната маса. Поради тази причина по време на началните фази на неговото развитие, когато масата на черната дупка е малка, растежът е много бавен. Доколкото според изчисленията, за да се достигне наблюдаваната маса, милиарди пъти по-голяма от тази на Слънцето, ще е необходимо много дълго време, дори по-голямо от възрастта на младата Вселена. "
Въпреки това, първоначалният математически модел, който те разработиха, показа, че процесът на формиране на централните черни дупки може да бъде много бърз в началните му фази. Това не само предлага обяснение за съществуването на SMBH семена в ранната Вселена, но и съгласува сроковете на техния растеж с известната епоха на Вселената.
Накратко, тяхното проучване показа, че процесът на миграция и сливане на ранни черни дупки може да доведе до създаването на SMBH семе от 10 000 до 100 000 слънчеви маси само за 50-100 милиона години. Както екипът обясни:
„[T] той нарастването на централната черна дупка според гореспоменатото директно натрупване на газ, предвидено от стандартната теория, ще стане много бързо, тъй като количеството газ, което ще успее да привлече и абсорбира, ще стане огромно и ще преобладава процесът, който предлагаме. Независимо от това, именно фактът, че започва от толкова голямо семе, както е предвидено от нашия механизъм, ускорява глобалния растеж на свръхмасивната черна дупка и позволява нейното формиране, също и в Младата Вселена. Накратко, в светлината на тази теория можем да заявим, че 800 милиона години след Големия взрив свръхмасивните черни дупки вече биха могли да населят Космоса. "
В допълнение към предлагането на работещ модел за наблюдавани SMBH семена, екипът предложи и метод за тестване. От една страна, има гравитационните вълни, които тези сливания биха причинили, които могат да бъдат идентифицирани с помощта на гравитационни детектори на вълни като Advanced LIGO / Дева и характеризирани с бъдещия телескоп Айнщайн.
В допълнение, последващите фази на развитие на SMBH са нещо, което би могло да бъде изследвано от мисии като космическата антена на ESA за лазерна интерферометър (LISA), която се очаква да стартира около 2034 г. В подобна вена друг екип от астрономи наскоро използва Atacama Голям милиметров / субмилиметров масив (ALMA) за справяне с друга загадка за галактиките, поради което някои имат джетове, а други не.
Тези бързо движещи се потоци от йонизирана материя, които се движат с релативистични скорости (част от скоростта на светлината), се наблюдават от центъра на някои галактики. Тези струи са свързани със скоростта на образуване на звезди в галактика поради начина, по който изхвърлят материя, която иначе би се срутила, за да образува нови звезди. С други думи, тези струи играят роля в еволюцията на галактиките, подобно на SMBH.
Поради тази причина астрономите са се опитвали да научат повече за това как реактивни черни дупки и газообразни облаци са взаимодействали във времето. За съжаление, беше трудно да се наблюдават подобни взаимодействия по време на ранната Вселена. Използвайки Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), екип от астрономи успя да получи първото разрешено изображение на нарушени газообразни облаци, идващи от много далечен квазар.
Проучването, което описва техните открития, ръководено от проф. Кайки Таро Инуе от университета Киндай, наскоро се появи в Писма за астрофизични списания. Както обясниха Inoue и неговите колеги, данните на ALMA разкриха млади биполярни струи, излъчвани от MG J0414 + 0534, квазар, разположен приблизително на 11 милиарда светлинни години от Земята. Тези открития показват, че галактики със SMBH и джетове са съществували, когато Големият взрив е бил на възраст под 3 милиарда години.
В допълнение към ALMA, екипът разчита на техника, известна като гравитационно лещиране, при която гравитацията на намесваща се галактика увеличава светлината, идваща от отдалечен обект. Благодарение на този „космически телескоп“ и високата разделителна способност на ALMA, екипът успя да наблюдава смутените газообразни облаци около MG J0414 + 0534 и да определи, че те са причинени от млади джетове, излъчвани от SMBH в центъра на галактиката.
Както Куичиро Наканиши, доцент по проекта в Националната астрономическа обсерватория на Япония / SOKENDAI, обясни в прессъобщение на ALMA:
„Комбинирайки този космически телескоп и наблюденията с висока разделителна способност на ALMA, ние получихме изключително остро зрение, което е 9000 пъти по-добро от човешкото зрение. С тази изключително висока разделителна способност успяхме да постигнем разпределението и движението на газообразни облаци около струи, изхвърлени от свръхмасивна черна дупка. "
Тези наблюдения също показаха, че газът е бил въздействащ там, където е следвал посоката на струите, карайки частиците да се движат силно и да се ускоряват със скорост до 600 км / с (370 mps). Нещо повече, тези въздействащи газообразни облаци и самите струи бяха много по-малки от размера на типичната за тази възраст галактика.
От това екипът стигна до заключението, че са свидетели на много ранна фаза на еволюцията на струята в галактиката MG J0414 + 0534. Ако са верни, тези наблюдения позволиха на екипа да стане свидетел на ключов еволюционен процес в галактиките по време на ранната Вселена. Както Inoue обобщи:
„MG J0414 + 0534 е отличен пример заради младостта на джетове. Открихме невероятни доказателства за значително взаимодействие между струи и газообразни облаци дори в много ранната еволюционна фаза на струите. Мисля, че нашето откритие ще проправи пътя за по-добро разбиране на еволюционния процес на галактиките в ранната Вселена. "
Заедно тези изследвания показват, че две от най-мощните астрономически явления във Вселената са възникнали по-рано от очакваното. Това откритие също дава възможност на астрономите да проучат как тези явления са се развивали с течение на времето и ролята, която са изиграли в еволюцията на Вселената.
