JWST gözlemleri kozmik şafakta olgun bir kuasarın varlığını ortaya koyuyor

James Webb Uzay Teleskobu, evrenin özellikle genç bir aşamasındaki bir galaksiyi gözlemledi. Geçmişe bakıldığında, J1120+0641 adlı galaksiden gelen ışığın Dünya’ya ulaşmasının, neredeyse evrenin günümüze kadarki gelişimi kadar uzun sürdüğü ortaya çıktı. Bağımsız ölçümlerin gösterdiği gibi, merkezindeki kara deliğin o zamanlar nasıl bir milyar güneş kütlesinden fazla ağırlığa sahip olabileceği açıklanamaz. Bulgular: yayınlanan dergide Doğa Astronomi.

Kara deliğin yakınındaki malzeme üzerinde yapılan son gözlemlerin özellikle etkili bir beslenme mekanizmasını ortaya çıkarması gerekiyordu, ancak belirli bir şey bulamadılar. Bu sonuç daha da sıra dışı: Bu, astrofizikçilerin galaksilerin gelişimi hakkında düşündüklerinden daha az şey anladıkları anlamına gelebilir. Ve yine de hiçbir şekilde hayal kırıklığı yaratmıyorlar.

Kozmik tarihin ilk milyar yılı bir zorluk teşkil ediyor: Galaksilerin merkezlerinde bilinen en eski kara delikler şaşırtıcı derecede büyük kütlelere sahip. Nasıl bu kadar hızlı ve bu kadar büyük hale geldiler? Burada açıklanan yeni gözlemler, önerilen bazı açıklamalara, özellikle de en eski kara delikler için “ultra etkili beslenme moduna” karşı güçlü kanıtlar sağlıyor.

Süper kütleli kara delik büyümesinin sınırları

Evrenin ömrü olan son 13,8 milyar yılda yıldızlar ve galaksiler büyük ölçüde değişti. Galaksiler ya etraflarındaki gazı tüketerek ya da (bazen) birbirleriyle birleşerek büyüdüler ve daha fazla kütle kazandılar. Uzun bir süre gökbilimciler, galaksilerin merkezlerindeki süper kütleli kara deliklerin galaksilerle birlikte yavaş yavaş büyüyeceğini varsaydılar.

Ancak kara delik büyümesi keyfi bir şekilde hızlı olamaz. Kara deliğin üzerine düşen madde dönen, sıcak ve parlak bir “birikim diski” oluşturur. Bu durum süper kütleli bir kara deliğin etrafında gerçekleştiğinde sonuç aktif bir galaktik çekirdek olur. Kuasar olarak bilinen bu türden en parlak nesneler, tüm evrendeki en parlak astronomik nesneler arasındadır. Ancak bu parlaklık, kara deliğin üzerine ne kadar maddenin düşebileceğini sınırlar: Işık, ilave maddenin düşmesini önleyebilecek bir basınç uygular.

Kara delikler nasıl bu kadar büyük, bu kadar hızlı hale geldi?

Bu nedenle son yirmi yılda uzak kuasarlarda yapılan gözlemlerde, 10 milyar güneş kütlesine kadar kütleye ulaşmış çok genç kara deliklerin ortaya çıkması gökbilimcileri şaşırttı. Işığın uzaktaki bir nesneden bize ulaşması zaman alır, dolayısıyla uzaktaki nesnelere bakmak, uzak geçmişe bakmak anlamına gelir. Bilinen en uzak kuasarları, “kozmik şafak” olarak bilinen, Büyük Patlama’dan bir milyar yıldan az bir süre sonra, ilk yıldızların ve galaksilerin oluştuğu dönemdeki halleriyle görüyoruz.

Bu erken dönemdeki büyük kütleli kara deliklerin açıklanması, mevcut galaksi evrimi modelleri için önemli bir zorluktur. İlk kara deliklerin gaz biriktirme konusunda modern muadillerine göre çok daha verimli olması mümkün olabilir mi? Veya tozun varlığı, kuasar kütle tahminlerini, araştırmacıların erken kara delik kütlelerini olduğundan fazla tahmin etmesine yol açacak şekilde etkileyebilir mi? Şu anda önerilen çok sayıda açıklama var, ancak hiçbiri geniş çapta kabul görmüyor.

Erken kara delik büyümesine daha yakından bakış

Açıklamalardan hangisinin (varsa) doğru olduğuna karar vermek, kuasarların daha önce mevcut olandan daha eksiksiz bir resmini gerektirir. Uzay teleskobu JWST’nin, özellikle de teleskobun orta-kızılötesi cihazı MIRI’nin ortaya çıkışıyla, gökbilimcilerin uzak kuasarları inceleme yeteneği devasa bir sıçrama kaydetti. Uzak kuasar spektrumlarını ölçmek için MIRI, önceki tüm cihazlardan 4.000 kat daha hassastır.

MIRI gibi araçlar, bilim adamlarının, mühendislerin ve teknisyenlerin yakın işbirliği içinde çalıştığı uluslararası konsorsiyumlar tarafından oluşturulmaktadır. Doğal olarak bir konsorsiyum, cihazlarının planlandığı gibi performans gösterip göstermediğini test etmekle çok ilgileniyor.

Aracı oluşturmanın karşılığında konsorsiyumlara genellikle belirli bir gözlem süresi verilir. 2019’da, JWST’nin piyasaya sürülmesinden yıllar önce, MIRI Avrupa Konsorsiyumu bu sürenin bir kısmını o zamanlar bilinen en uzak kuasar olan ve J1120+0641 adıyla anılan bir nesneyi gözlemlemek için kullanmaya karar verdi.

En eski kara deliklerden birini gözlemlemek

Gözlemleri analiz etmek, Max Planck Astronomi Enstitüsü’nde (MPIA) doktora sonrası araştırmacı ve MIRI Avrupa konsorsiyumunun üyesi olan Dr. Sarah Bosman’a düştü. MPIA’nın MIRI aracına katkıları arasında bir dizi önemli dahili parçanın oluşturulması yer almaktadır. Bosman’dan, özellikle ilk süper kütleli kara delikler olmak üzere erken evreni incelemek için cihazın en iyi şekilde nasıl kullanılacağı konusunda uzmanlık kazandırmak amacıyla MIRI işbirliğine katılması istendi.

Gözlemler Ocak 2023’te JWST’nin ilk gözlem döngüsü sırasında gerçekleştirildi ve yaklaşık iki buçuk saat sürdü. Bunlar, Büyük Patlama’dan sadece 770 milyon yıl sonra (kırmızıya kayma z=7) kozmik şafak dönemindeki bir kuasarın ilk orta-kızılötesi çalışmasını oluştururlar. Bilgi bir görüntüden değil, bir spektrumdan kaynaklanıyor: nesnenin ışığının farklı dalga boylarındaki bileşenlere gökkuşağı benzeri ayrışması.

Toz ve hızlı hareket eden gazın izlenmesi

Orta-kızılötesi spektrumun (“süreklilik”) genel şekli, tipik kuasarlardaki birikim diskini çevreleyen büyük toz torusunun özelliklerini kodlar. Bu torus, kara deliği “besleyerek” maddeyi birikim diskine yönlendirmeye yardımcı olur.

Devasa erken dönem kara deliklere çözüm olarak alternatif hızlı büyüme yöntemlerine başvuranlar için kötü haber: Bu çok erken dönem kuasardaki torus ve buna bağlı olarak beslenme mekanizması, daha modern benzerleriyle aynı görünüyor. Tek fark, hızlı erken kuasar büyümesine ilişkin hiçbir modelin öngörmediğidir: daha az uzaktaki kuasarlardaki en sıcak toz için bulunan 1300 K’den yaklaşık yüz Kelvin civarında daha yüksek bir toz sıcaklığı.

Spektrumun, birikim diskinden gelen emisyonların hakim olduğu daha kısa dalga boyu kısmı, biz uzak gözlemciler için kuasarın ışığının normalden daha fazla toz tarafından karartılmadığını gösteriyor. Belki de ilave toz nedeniyle erken kara delik kütlelerini olduğundan fazla tahmin ettiğimiz argümanları da çözüm değil.

Erken dönem kuasarlar ‘şok edici derecede normal’

Gaz kümelerinin kara deliğin etrafında ışık hızına yakın hızlarda döndüğü kuasarın geniş çizgi bölgesi de normal görünüyor; bu da kara deliğin kütlesi ve çevredeki maddenin yoğunluğu ve iyonizasyonu hakkında çıkarımlar yapılmasına olanak sağlıyor. J1120+0641’in spektrumdan çıkarılabilecek hemen hemen tüm özellikleriyle daha sonraki kuasarlardan hiçbir farkı yoktur.

Bosman, “Genel olarak, yeni gözlemler gizemi daha da artırıyor: İlk kuasarlar şaşırtıcı derecede normaldi. Onları hangi dalga boylarında gözlemlersek gözlemleyelim, kuasarlar evrenin tüm dönemlerinde neredeyse aynıdır” diyor Bosman. Evren şu andaki yaşının sadece %5’i iken, yalnızca süper kütleli kara deliklerin kendileri değil, aynı zamanda onların beslenme mekanizmaları da görünüşe göre zaten tamamen “olgunlaşmıştı”.

Bir dizi alternatif çözümün göz ardı edilmesiyle elde edilen sonuçlar, süper kütleli kara deliklerin başlangıçtan itibaren hatırı sayılır kütlelerle başladığı, astronomi dilinde “ilkel” veya “büyük tohumlu” oldukları fikrini güçlü bir şekilde desteklemektedir. Süper kütleli kara delikler ilk yıldızların kalıntılarından oluşmadı, daha sonra çok hızlı bir şekilde büyüdüler. Muhtemelen ilk devasa gaz bulutlarının çökmesi yoluyla, en az yüz bin güneş kütlesindeki başlangıç ​​kütleleriyle erken oluşmuş olmalılar.