James Webb Uzay Teleskobu gece gökyüzünde küçük kırmızı noktalar tespit ederek süper kütleli kara deliklerin oluşumuna dair yeni bilgiler ortaya çıkardı ve evrenin ilk günlerindeki hızlı büyümelerine ilişkin mevcut astronomik teorilere meydan okudu. (Sanatçının konsepti.) Kredi: SciTechDaily.com
James Webb Uzay Teleskobu hizmete girdiği ilk yılda en beklenmedik bulgulardan birini gerçekleştirdi: Uzak Evrendeki çok sayıda soluk küçük kırmızı nokta, süper kütleli kara deliklerin oluşumunu anlama şeklimizi değiştirebilir. Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde (ISTA) astrofizik alanında Yardımcı Doçent olan Jorryt Matthee liderliğindeki araştırma şu anda yayınlandı. Astrofizik Dergisi.
Gece gökyüzünün küçük bir bölgesinde bulunan bir grup küçük kırmızı nokta, James Webb Uzay Teleskobu (JWST) hizmetinin ilk yılında beklenmedik bir atılım olabilir. Bu nesneler, yaşlıların ‘gözleri’ açısından normal galaksilerden ayırt edilemezdi. Hubble uzay teleskobu.
“Bu özel amaç için geliştirilmeden JWST, Evren’in uzak geçmişinde çok uzakta bulunan soluk küçük kırmızı noktaların aşırı büyük kara deliklerin küçük versiyonları olduğunu belirlememize yardımcı oldu. Bu özel nesneler, kara deliklerin oluşumu hakkındaki düşüncelerimizi değiştirebilir” diyor Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (ISTA) Yardımcı Doçenti Jorryt Matthee ve çalışmanın baş yazarı.
“Mevcut bulgular bizi astronomideki en büyük ikilemlerden birine cevap vermeye bir adım daha yaklaştırabilir: Mevcut modellere göre, erken Evrendeki bazı süper kütleli kara delikler basitçe ‘çok hızlı’ büyüdü. Peki nasıl oluştular?”
Dev kuasar ve küçük kırmızı noktalar. 10 milyar güneş kütlesine sahip son derece nadir aktif süper kütleli kara delik olan parlak kuasar J1148+5251’in NASA/ESA/CSA James Webb Uzay Teleskobu (JWST) NIRCam resmi. Altı belirgin kırınım noktasına sahip turuncu yıldız benzeri kaynak olan kuasarın ışığı, 13 milyar yıl önce yayıldı. Genç Evren’de bu kadar büyük kara deliklerin varlığı, kara delik ve galaksi oluşumu teorileri için önemli bir zorluk teşkil ediyor. Eş zamanlı olarak görüntü, küçük kırmızı noktalar olarak adlandırılan küçük, nokta benzeri kırmızı nesneleri yakaladı. Hemen hemen her derin JWST görüntüsünde bu türden birkaç nesne görünür. J1148+5251 kuasarında olduğu gibi, bu nesnelerden gelen ışık da (bu durumlarda 12,5 milyar yıl önce yayılmıştır) süper kütleli kara delikler tarafından desteklenmektedir. Bununla birlikte, bu kara deliklerin kütlesi yüz ila bin kat daha düşüktür ve toz tarafından büyük ölçüde örtülmüştür (kırmızı görünmelerine neden olur). Küçük kırmızı noktalar, parlak kuasar aşamasından önce evrimsel bir aşamada olan galaksileri temsil edebilir ve bu nedenle araştırmacıların uzak galaksilerdeki süper kütleli kara deliklerin oluşumunu ve rolünü anlamalarına yardımcı olabilir.
Görüntü EIGER projesinin bir parçası olarak çekildi.
Katkıda bulunanlar: NASA, ESA, CSA, J. Matthee (ISTA), R. Mackenzie (ETH Zürih), D. Kashino (Japonya Ulusal Gözlemevi), S. Lilly (ETH Zürih)
Geri dönüşü olmayan kozmik noktalar
Bilim adamları, varlıkları giderek daha belirgin hale gelene kadar uzun süredir kara delikleri matematiksel bir merak olarak görüyorlardı. Bu garip kozmik dipsiz çukurlar o kadar yoğun kütlelere ve güçlü yer çekimine sahip olabilir ki, hiçbir şey onların çekim gücünden kaçamaz; kozmik toz, gezegenler ve yıldızlar dahil her şeyi emerler ve etraflarındaki uzay ve zamanı, ışığın bile kaçamayacağı şekilde deforme ederler. .
Bir asırdan fazla bir süre önce Albert Einstein tarafından yayınlanan genel görelilik teorisi, kara deliklerin herhangi bir kütleye sahip olabileceğini öngörmüştü. En ilgi çekici kara deliklerden bazıları, Güneş’in kütlesinin milyonlarca ila milyarlarca katına ulaşabilen süper kütleli kara deliklerdir (SMBH’ler). Astrofizikçiler hemen hemen her büyük galaksinin merkezinde bir SMBH olduğu konusunda hemfikirdir. Yay A*’nın Galaksimizin merkezinde Güneş’in dört milyon katından daha büyük bir kütleye sahip bir SMBH olduğunun kanıtı, 2020 Nobel Fizik Ödülü’nü kazandı.
Orada olamayacak kadar büyük
Ancak tüm KOBİ’ler aynı değildir. Yay A* uyuyan bir volkana benzetilebilirken, bazı SMBH’ler astronomik miktarlarda maddeyi yutarak son derece hızlı büyürler. Böylece o kadar parlak hale gelirler ki, sürekli genişleyen Evrenin sınırlarına kadar gözlemlenebilirler. Bu SMBH’lere kuasar adı verilir ve Evrendeki en parlak nesneler arasındadır.
“Kuasarlarla ilgili bir sorun, kuasarların gözlemlendiği Evrenin yaşı göz önüne alındığında, bazılarının aşırı büyük, çok büyük görünmesidir. Biz onlara ‘sorunlu kuasarlar’ diyoruz” diyor Matthee. “Kuasarların devasa yıldızların patlamalarından kaynaklandığını ve maksimum büyüme hızlarını genel fizik yasalarından bildiğimizi düşünürsek, bazıları mümkün olandan daha hızlı büyümüş gibi görünüyor. İki metre boyundaki beş yaşındaki bir çocuğa bakmak gibi. Bir şeyler akla uymuyor” diye açıklıyor.
KOBİ’ler belki de başlangıçta düşündüğümüzden daha hızlı büyüyebilir mi? Yoksa farklı şekilde mi oluşuyorlar?
Jorryt Matthee, Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nde (ISTA) Yardımcı Doçent. Katkıda bulunanlar: © Peter Rigaud / ISTA
Dev kozmik canavarların küçük versiyonları
Şimdi Matthee ve meslektaşları, JWST görüntülerinde küçük kırmızı noktalar olarak görünen bir nesne popülasyonunu tanımlıyorlar. Ayrıca, bu nesnelerin SMBH’ler olduğunu, ancak aşırı derecede büyük olmadıklarını da gösteriyorlar. Bu nesnelerin SMBH’ler olduğunun belirlenmesinde merkezi nokta, geniş çizgi profillerine sahip Ha spektral emisyon çizgilerinin tespitiydi. Ha çizgileri, hidrojen atomları ısıtıldığında yayılan görünür ışığın koyu kırmızı bölgesindeki spektral çizgilerdir. Spektrumun genişliği gazın hareketini izler.
“Hα çizgilerinin tabanı ne kadar geniş olursa, gaz hızı da o kadar yüksek olur. Dolayısıyla bu spektrumlar bize son derece hızlı hareket eden ve SMBH gibi çok büyük kütleli bir şeyin yörüngesinde dönen çok küçük bir gaz bulutuna baktığımızı söylüyor” diyor Matthee.
Ancak küçük kırmızı noktalar, aşırı büyük KOBİ’lerde bulunan dev kozmik canavarlar değil. “’Sorunlu kuasarlar’ mavi renkte, son derece parlak ve Güneş’in milyarlarca katına ulaşan kütleye sahipken, küçük kırmızı noktalar daha çok ‘bebek kuasarlara’ benziyor. Kütleleri on ila yüz milyon güneş kütlesi arasındadır. Ayrıca tozlu oldukları için kırmızı görünürler. Toz kara delikleri kapatıyor ve renkleri kızdırıyor” diyor Matthee.
Ancak eninde sonunda kara deliklerden çıkan gaz toz kozasını delecek ve bu küçük kırmızı noktalardan devler evrimleşecek. Bu nedenle, ISTA astrofizikçisi ve ekibi, küçük kırmızı noktaların, sorunlu kuasarlardan önceki aşamadaki dev mavi SMBH’lerin küçük, kırmızı versiyonları olduğunu öne sürüyor. “Aşırı büyük SMBH’lerin bebek versiyonlarını daha ayrıntılı olarak incelemek, sorunlu kuasarların nasıl ortaya çıktığını daha iyi anlamamızı sağlayacak.”
“Çığır açan” bir teknoloji
Matthee ve ekibi, EIGER (Emisyon Hattı Galaksileri ve Reiyonizasyon Çağında Galaksilerarası Gaz) ve FRESCO (İlk Reiyonizasyon Dönemi Spektroskopik Olarak Tamamlanmış Gözlemler) işbirliklerinden elde edilen veri kümeleri sayesinde bebek kuasarları bulabildi. Bunlar, Matthee’nin dahil olduğu büyük ve orta ölçekli bir JWST programıdır. Geçen aralık, Physics World dergisi, EIGER’i 2023 için yılın en büyük 10 atılımı arasında sıraladı.
“EIGER, özellikle nadir mavi süper kütleli kuasarları ve bunların ortamlarını incelemek için tasarlandı. Küçük kırmızı noktaları bulmak için tasarlanmamıştı. Ancak bunları tesadüfen aynı veri kümesinde bulduk. Bunun nedeni, JWST’nin Yakın Kızılötesi Kamerasını kullanarak EIGER’in Evrendeki tüm nesnelerin emisyon spektrumlarını elde etmesidir” diyor Matthee. “Eğer işaret parmağınızı kaldırıp kolunuzu tamamen uzatırsanız, gece gökyüzünde keşfettiğimiz bölge tırnak yüzeyinin kabaca yirmide birine karşılık geliyor. Şu ana kadar muhtemelen sadece yüzeysel bir çalışma yaptık.”
Matthee, bu çalışmanın birçok yol açacağından ve Evren hakkındaki bazı büyük soruların yanıtlanmasına yardımcı olacağından emin. “Kara delikler ve SMBH’ler muhtemelen Evrendeki en ilginç şeylerdir. Neden orada olduklarını açıklamak zor ama oradalar. Bu çalışmanın Evren hakkındaki en büyük gizem perdelerinden birini kaldırmamıza yardımcı olacağını umuyoruz” diye bitiriyor.
Bu makalenin yayınlanmasından kısa bir süre önce Uzay Teleskobu Bilim Enstitüsü (STScI) şunları duyurdu: JWST’nin bilim operasyonlarının üçüncü yılı için seçilmiş program önerileri. Rekabetçi seçimi geçen programlar arasında Matthee’nin teklifi de vardı “Küçük Kırmızı Noktaları Ayırmak: Erken SMBH büyümesi ile kozmik yeniden iyonlaşma arasındaki bağlantı”, JWST’de toplam 45 saat sürecek.
Referans: Jorryt Matthee, Rohan P. Naidu, Gabriel Brammer, John Chisholm, Anna-Christina Eilers, Andy Goulding tarafından “Küçük Kırmızı Noktalar: z ∼ 5’te EIGER ve FRESCO JWST Araştırmaları Tarafından Ortaya Çıkarılan Bol miktarda Sönük Aktif Galaktik Çekirdek Popülasyonu” , Jenny Greene, Daichi Kashino, Ivo Labbe, Simon J. Lilly, Ruari Mackenzie, Pascal A. Oesch, Andrea Weibel, Stijn Wuyts, Mengyuan Xiao, Rongmon Bordoloi, Rychard Bouwens, Pieter van Dokkum, Garth Illingworth, Ivan Kramarenko, Michael V Maseda, Charlotte Mason, Romain A. Meyer, Erica J. Nelson, Naveen A. Reddy, Irene Shivaei, Robert A. Simcoe ve Minghao Yue, 7 Mart 2024, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.3847/1538-4357/ad2345