U posljednjih nekoliko desetljeća astronomi su mogli pogledati dalje u Svemir (pa i unatrag u vrijeme), gotovo do samih početaka Svemira. Na taj način su naučili mnogo o nekim najranijim galaksijama u Svemiru i njihovoj kasnijoj evoluciji. Međutim, još uvijek postoje neke stvari koje su i dalje izvan granica, kao na primjer kada su se prvi put pojavile galaksije sa supermasivim crnim rupama (SMBH) i masivni mlazovi.
Prema nedavnim istraživanjima Međunarodne škole za napredne studije (SISSA) i tima astronoma iz Japana i Tajvana pružaju novi uvid u to kako su se supermasivne crne rupe počele formirati samo 800 milijuna godina nakon Velikog praska, a relativistički mlazovi manje od 2 milijarde godina nakon. Ovi su rezultati dio rastućeg slučaja koji pokazuje kako su se masivni predmeti u našem Svemiru formirali brže nego što smo mislili.
Astronomi znaju za SMBH već više od pola stoljeća. Vremenom su shvatili da ih većina masivnih galaksija (uključujući Mliječni put) imaju u svojim jezgrama. Uloga koju igraju u evoluciji galaksija također je bila predmetom proučavanja, a moderni astronomi su zaključili da su one izravno povezane sa brzinom stvaranja zvijezda u galaksijama.
Slično tome, astronomi su otkrili da SMBH-ovi imaju uske diskove za akreditaciju gdje se plin i prašina ubrzavaju do brzine svjetlosti. Zbog toga središte nekih galaksija postaje toliko svijetlo - što je poznato i kao aktivna galaktička jezgra (AGNs) - da prekrivaju zvijezde u svojim diskovima. U nekim slučajevima ti diskovi za akumulaciju dovode i do mlaza vrućeg materijala koji se mogu vidjeti u milijardama svjetlosnih godina.
Prema konvencionalnim modelima, galaksije nisu imale dovoljno vremena za razvoj središnjih crnih rupa kad je Svemir bio star manje od milijardu godina (prije otprilike 13 milijardi godina). No nedavna zapažanja pokazuju da su se crne rupe u tom trenutku već formirale u središtu galaksija. Baveći se tim, tim znanstvenika iz SISSA predložio je novi model koji nudi moguće objašnjenje.
Za njihov studij, koji je vodio Lumen Boco - doktor znanosti. student s Instituta za fundamentalnu fiziku svemira (IFPU) - tim je započeo s poznatom činjenicom da SMBH rastu u središnjim regijama ranih galaksija. Ti su objekti, danas potomci eliptičnih galaksija, imali vrlo visoku koncentraciju plinova i izuzetno intenzivnu brzinu stvaranja novih zvijezda.
Prve generacije zvijezda u tim galaksijama bile su kratkotrajne i brzo su se razvile u crne rupe koje su bile relativno male, ali značajne po broju. Gusti plin koji ih je okruživao doveo je do značajnog dinamičkog trenja i uzrokovao da se brzo migriraju u središte galaksije. Ovdje su se spojili kako bi stvorili sjeme supermasivne crne rupe - koja je s vremenom polako rasla.
Kao što je istraživački tim objasnio u nedavnom priopćenju za SISS:
"Prema klasičnim teorijama, supermasivna crna rupa raste u središtu galaksije koja hvata okolnu tvar, uglavnom plin," raste "na sebi i konačno je proždre u ritmu koji je proporcionalan njenoj masi. Iz tog razloga, tijekom početnih faza njegovog razvoja, kada je masa crne rupe mala, rast je vrlo spor. U mjeri u kojoj bi, prema proračunima, da bi se postigla promatrana masa, milijardu puta veća od Sunca, bilo bi potrebno vrlo dugo vrijeme, čak i veće od dobi mladog svemira. "
Međutim, prvotni matematički model koji su razvili pokazao je da bi proces formiranja središnjih crnih rupa mogao biti vrlo brz u svojim početnim fazama. To ne samo da nudi objašnjenje postojanja sjemena SMBH u ranom Svemiru, već i usklađuje vrijeme njihova rasta sa poznatim vremenom Svemira.
Ukratko, njihova studija pokazala je da proces migracije i spajanja ranih crnih rupa može dovesti do stvaranja sjemena SMBH od 10 000 do 100 000 solarnih masa u samo 50-100 milijuna godina. Kako je tim objasnio:
"[T] rast središnje crne rupe prema gore spomenutom izravnom nakupljanju plina, predviđenom standardnom teorijom, postat će vrlo brz, jer će količina plina koju će uspjeti privući i apsorbirati postati neizmjerna i prevladavat će u postupak koji predlažemo. Bez obzira na to, upravo činjenica da počinje od tako velikog sjemena kakva je predvidio naš mehanizam ubrzava globalni rast supermasivne crne rupe i omogućava njezino formiranje, također u Mladom svemiru. Ukratko, u svjetlu ove teorije, možemo ustvrditi da su 800 milijuna godina nakon Velikog praska, supermasivne crne rupe već mogle naseljavati Kozmos. "
Osim što je predložio radni model za promatrano sjeme SMBH, tim je također predložio metodu za njegovo testiranje. S jedne strane postoje gravitacijski valovi koje bi ta spajanja uzrokovala, a koja se mogu prepoznati korištenjem gravitacijskih detektora valova poput Advanced LIGO / Virgo i karakterizirana budućim Einstein teleskopom.
Povrh toga, sljedeće razvojne faze SMBH-a nešto su što bi se moglo istražiti misijama poput ESA-ine laserske interferometrske svemirske antene (LISA), koja bi se trebala lansirati oko 2034. U sličnom smislu, drugi tim astronoma nedavno je koristio Atacamu Veliki milimetar / submilimetarski niz (ALMA) za rješavanje još jedne misterije o galaksijama, zbog čega neki imaju mlaznice, a drugi ne.
Ovi brzi tokovi ionizirane materije koji putuju relativističkim brzinama (djelić brzine svjetlosti), promatrani su iz središta nekih galaksija. Ti se zrakoplovi povezuju sa brzinom stvaranja zvijezda u galaksiji zbog načina na koji izbacuju materiju koja bi se inače srušila u nove zvijezde. Drugim riječima, ovi mlazovi igraju ulogu u evoluciji galaksija, slično kao SMBH.
Iz tog su razloga astronomi nastojali saznati više o tome kako su zrakoplovi crnih rupa i plinoviti oblaci s vremenom međusobno djelovali. Nažalost, bilo je teško promatrati takve interakcije tijekom ranog Svemira. Koristeći veliki milimetar / submilimetarski niz Atacama (ALMA), tim astronoma uspio je dobiti prvu riješenu sliku uznemirenih plinovitih oblaka koji dolaze iz vrlo udaljenog kvazara.
Studija koja opisuje njihova otkrića, koju je vodio prof. Kaiki Taro Inoue sa Sveučilišta Kindai, nedavno se pojavila u Pisma astrofizičkog časopisa. Kao što su objasnili Inoue i njegovi kolege, podaci ALMA otkrili su mlade bipolarne mlaznice koje potječu iz MG J0414 + 0534, kvazara koji se nalazi oko 11 milijardi svjetlosnih godina od Zemlje. Ovi nalazi pokazuju da su galaksije sa SMBH i mlaznicama postojale kad je Veliki prasak bio star manje od 3 milijarde godina.
Osim ALMA-e, tim se oslanjao na tehniku poznatu kao gravitacijsko leće, pri čemu gravitacija intervenirajuće galaksije povećava svjetlost koja dolazi iz udaljenog objekta. Zahvaljujući ovom „kozmičkom teleskopu“ i visokoj razlučivosti ALMA-e, tim je uspio promatrati poremećene plinovite oblake oko MG J0414 + 0534 i utvrditi da su ih uzrokovali mladi mlazovi koji potječu iz SMBH u središtu galaksije.
Kao što je Kouichiro Nakanishi, izvanredni profesor na Nacionalnom astronomskom opservatoriju Japana / SOKENDAI, objasnio u izjavi za ALMA:
„Kombinirajući ovaj kozmički teleskop i ALMA promatranja visoke rezolucije, dobili smo izuzetno oštar vid, koji je 9.000 puta bolji od ljudskog vida. S ovom izuzetno visokom razlučivosti uspjeli smo dobiti distribuciju i kretanje plinovitih oblaka oko mlaznica izbačenih iz supermasivne crne rupe. "
Ta su zapažanja također pokazala da je na plin utjecao praćenje smjera mlaza, uzrokujući snažno kretanje čestica i ubrzanje do brzine do 600 km / s (370 mps). Štoviše, ti udarni plinoviti oblaci i sami mlazovi bili su znatno manje od veličine tipične galaksije u ovo doba.
Iz toga je ekipa zaključila da su svjedoci vrlo rane faze evolucije mlaznice u galaksiji MG J0414 + 0534. Ako su istinite, ova su opažanja omogućila timu da svjedoči ključnom evolucijskom procesu u galaksijama tijekom ranog Svemira. Kao što je Inoue sažeo:
„MG J0414 + 0534 je odličan primjer zbog mladosti mlazeva. Otkrili smo dokaze značajne interakcije između mlaznica i plinovitih oblaka čak i u vrlo ranoj evolucijskoj fazi mlazeva. Mislim da će naše otkriće otvoriti put za bolje razumijevanje evolucijskog procesa galaksija u ranom Svemiru. "
Zajedno, ove studije pokazuju da su se dva najmoćnija astronomska fenomena u Svemiru pojavila ranije nego što se očekivalo. Ovo otkriće također pruža astronomima mogućnost da istraže kako su se ti fenomeni razvijali tijekom vremena i kakvu su ulogu imali u evoluciji Svemira.
