Süper kütleli bir kara delik (SMBH; merkezdeki küçük siyah nokta), etrafındaki malzemeyi emer ve bu malzeme içeri akarken spiral disk benzeri bir şekil oluşturur. Malzemenin yer çekimi enerjisi radyasyona dönüştürülür ve diskten uzağa yayılır. Bu kadar parlak eteklere sahip SMBH’lere “kuasar” adı veriliyor. Kredi bilgileri: Yoshiki Matsuoka
Olağanüstü büyük kütlelere sahip (süper kütleli kara delikler (SMBH’ler) olarak bilinen, Güneş’in kütlesinin bir milyon katından fazla) kara delikler bugün evrende yaygın olarak bulunuyor. Bununla birlikte, bunların kökenleri ve 13,8 milyar yıllık kozmik evrim boyunca ne zaman, nerede ve nasıl ortaya çıktıklarına ilişkin ayrıntılar belirsizliğini koruyor.
Son birkaç on yılı kapsayan araştırmalar, her galaksinin merkezinde bir SMBH’nin bulunduğunu ve kütlesinin neredeyse her zaman, ev sahibi galaksinin binde biri kadar olduğunu gösteriyor.
Bu yakın ilişki, galaksilerin ve SMBH’lerin birlikte evrimleştiğini ima ediyor. Bu nedenle, SMBH’lerin kökenini ortaya çıkarmak, yalnızca SMBH’lerin kendilerini anlamak için değil, aynı zamanda görünür evrenin ana bileşenleri olan galaksilerin oluşum süreçlerini açıklamak için de çok önemlidir.
Bu konuyu ele almanın anahtarı, evrenin başlangıcından bu yana geçen zamanın erken evresinde yatmaktadır. Büyük patlama (yani evrenin başlangıcı) bir milyar yıldan azdı. Işığın sonlu hızı sayesinde uzak evreni gözlemleyerek geçmişe bakabiliyoruz. Evren yalnızca bir milyar yaşında veya daha küçükken SMBH’ler zaten var mıydı?
Subaru Teleskobu ile çektiğimiz gece gökyüzü fotoğrafına bir örnek. Büyütülmüş görüntünün ortasındaki küçük kırmızı nokta, evrenin 800 milyon yaşında (13 milyar ışıkyılı uzaklıkta) olduğu dönemde var olan uzak bir kuasardan gelen ışığı temsil ediyor. Kredi bilgileri: Japonya Ulusal Astronomi Gözlemevi
Bu mümkün mü? Kara delik bu kadar kısa sürede bu kadar büyük bir kütleye (bir milyon güneş kütlesini aşan ve bazen milyarlarca güneş kütlesine ulaşan) sahip olmak? Eğer öyleyse, altta yatan fiziksel mekanizmalar ve koşullar nelerdir? KOBİ’lerin kökenine yaklaşmak için onları gözlemlemek ve özelliklerini teorik modellerden elde edilen tahminlerle karşılaştırmak gerekir. Bunu yapmak için öncelikle gökyüzünde nerede olduklarını bulmanız gerekir.
Araştırma ekibi bu çalışma için Hawaii Maunakea’nın tepesindeki Subaru Teleskobunu kullandı. Subaru’nun en büyük avantajlarından biri de özellikle bu amaca uygun geniş alan gözlem yeteneğidir.
SMBH’ler ışık yaymadığı için ekip, “kuasarlar” adı verilen özel bir sınıf aradı; bunlar, düşen malzemenin yerçekimi enerjisini serbest bıraktığı, parlayan etekleri olan SMBH’lerdi. Dolunay’ın 5000 katına eşdeğer geniş bir gökyüzü alanını gözlemlediler ve erken evrende bulunan 162 kuasar’ı başarıyla keşfettiler. Özellikle bu kuasarlardan 22 tanesi, evrenin yaşının 800 milyon yıldan daha az olduğu dönemde (kuasarların bugüne kadar tanındığı en eski dönem) mevcuttu.
Keşfedilen çok sayıda kuasar, kuasarların uzay yoğunluğunu radyasyon enerjisinin bir fonksiyonu olarak tanımlayan “parlaklık fonksiyonu” adı verilen en temel ölçüyü belirlemelerine olanak sağladı. Evrenin erken dönemlerinde kuasarların çok hızlı bir şekilde oluştuğunu, parlaklık fonksiyonunun genel şeklinin (genlik hariç) zaman içinde değişmeden kaldığını buldular.
Parlaklık fonksiyonu, uzay yoğunluğunu (dikey eksende Φ) radyasyon enerjisinin (yatay eksende M1450) bir fonksiyonu olarak tanımlar. Evrenin yaşı 0,8 (kırmızı noktalar), 0,9 (yeşil elmaslar), 1,2 (mavi kareler) ve 1,5 (siyah üçgenler) milyar yıl olduğunda gözlemlenen kuasarların parlaklık fonksiyonlarını çiziyoruz. Eğriler en uygun fonksiyonel formları temsil eder. Kuasarların uzay yoğunluğu zamanla hızla artarken parlaklık fonksiyonunun şekli neredeyse hiç değişmedi. Kredi: Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023
Parlaklık fonksiyonunun bu karakteristik davranışı, sonuçta tüm gözlemlenebilirleri yeniden üretebilen ve SMBH’lerin kökenini tanımlayabilen teorik modeller üzerinde güçlü kısıtlamalar sağlar.
Öte yandan evrenin erken safhasında “kozmik yeniden iyonlaşma” adı verilen büyük bir faz geçişi yaşadığı biliniyordu. Geçmiş gözlemler, bu olayda galaksiler arası uzayın tamamının iyonlaştığını gösteriyor. İyonlaşma enerjisinin kaynağı hala tartışılıyor ve kuasarlardan gelen radyasyon umut verici bir aday olarak değerlendiriliyor.
Yukarıdaki parlaklık fonksiyonunu entegre ederek kuasarların 10 ışık yaydığını bulduk.28 1 birim hacimde saniyede foton sayısı ışık yılı erken evrenin bir tarafında. Bu, o dönemde galaksiler arası uzayın iyonize durumunu korumak için gereken fotonların %1’inden daha azdır ve dolayısıyla kuasarların kozmik yeniden iyonlaşmaya yalnızca küçük bir katkı yaptığını gösterir. Diğer enerji kaynaklarına kritik derecede ihtiyaç duyulmaktadır; bu kaynaklar, yakın zamanda yapılan diğer gözlemlere göre, galaksileri oluşturan büyük sıcak yıldızlardan gelen entegre radyasyon olabilir.
Referans: Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoue, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Tohru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, John D. Silverman, Naoko Asami, James tarafından yazılan “z = 7’de Kuasar Parlaklık Fonksiyonu” Bosch, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gunn, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Chien-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oogi, Masami Ouchi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tait, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka , Yoshiki Toba, Shiang-Yu Wang ve Takuji Yamashita, 6 Haziran 2023, Astrofizik Günlük Mektupları.
DOI: 10.3847/2041-8213/acd69f
Çalışma Japonya Bilimi Teşvik Derneği, Mitsubishi Vakfı ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından finanse edildi.