Bir kuasarın, aktif bir galaksinin parlak çekirdek bölgesinin sanatçı tasviri. Merkezdeki süper kütleli kara delik, parlak bir gaz ve toz diski ile çevrilidir. Daha dışarıdaki toz bileşeni iç kısmın görünümünü engelleyebilir ve ağırlıklı olarak orta kızılötesi aralığında, James Webb Uzay Teleskobu tarafından analiz edilebilen ışıkta parlar. Bir demet halinde, yüksek enerjili parçacık ışını, kara deliğin hemen yakınından diske dik olarak uzaya doğru çıkıntı yapar. Kaynak: © T. Müller / MPIA
Şaşırtıcı derecede sıradan: Kara delik, ortalama iştaha rağmen erken evrende zaten bir milyar güneş kütlesinden daha ağırdı.
13,8 milyar yıllık evrenin ilk evrelerine bakıldığında, James Webb Uzay Teleskobu sadece 700 milyon yıl sonra var olan bir galaksiyi tespit etti Büyük patlama. Nasıl olduğu şaşırtıcıdır Kara delik merkezindeki kütle, evren henüz emekleme aşamasındayken bile bir milyar güneş kütlesi ağırlığında olabilirdi. James Webb gözlemleri beslenme mekanizmasına daha yakından bakmak için tasarlanmıştı, ancak olağan dışı hiçbir şey bulamadılar. Görünüşe göre kara delikler halihazırda bugün olduğu gibi büyüyordu. Ancak sonuç daha da önemli: gökbilimcilerin galaksilerin nasıl oluştuğu hakkında düşündüklerinden daha az şey bildiklerini gösterebilir. Ve yine de ölçümler hiçbir şekilde hayal kırıklığı yaratmıyor. Tam tersine.
Erken Kara Deliklerin Gizemi
Kozmik tarihin ilk milyar yılı bir meydan okumayı beraberinde getiriyor: Galaksilerin merkezlerindeki bilinen en eski kara delikler şaşırtıcı derecede büyük kütlelere sahip. Nasıl bu kadar büyük ve bu kadar hızlı bir şekilde büyüdüler? Burada açıklanan yeni gözlemler, özellikle en eski kara delikler için “ultra etkili bir beslenme modu”na karşı olmak üzere, önerilen bazı açıklamalara karşı güçlü kanıtlar sağlıyor.
Süper Kütleli Kara Delik Büyümesinin Sınırları
Yıldızlar ve galaksiler, Evrenin ömrü olan son 13,8 milyar yıl boyunca muazzam bir şekilde değişti. Galaksiler, ya çevredeki gazı tüketerek ya da (bazen) birbirleriyle birleşerek büyüdüler ve daha fazla kütle kazandılar. Uzun bir süre, gökbilimciler galaksilerin merkezlerindeki süper kütleli kara deliklerin galaksilerin kendileriyle birlikte kademeli olarak büyüdüğünü varsaydılar.
Ancak kara delik büyümesi keyfi olarak hızlı olamaz. Bir kara deliğe düşen madde dönen, sıcak, parlak bir “birikim diski” oluşturur. Bu, süper kütleli bir kara deliğin etrafında gerçekleştiğinde, sonuç aktif bir galaktik çekirdektir. Kuasar olarak bilinen bu tür en parlak nesneler, tüm kozmostaki en parlak astronomik nesneler arasındadır. Ancak bu parlaklık, kara deliğe ne kadar madde düşebileceğini sınırlar: Işık, ek maddenin düşmesini engelleyebilecek bir basınç uygular.
Kara Delikler Nasıl Bu Kadar Hızlı ve Büyük Hale Geldiler?
İşte bu yüzden gökbilimciler, son yirmi yıldır uzak kuasarların gözlemlerinin, yine de 10 milyar güneş kütlesi kadar yüksek kütlelere ulaşmış çok genç kara delikleri ortaya çıkarması karşısında şaşırdılar. Işığın uzak bir nesneden bize ulaşması zaman alır, bu yüzden uzak nesnelere bakmak uzak geçmişe bakmak anlamına gelir. Bilinen en uzak kuasarları, Büyük Patlama’dan bir milyar yıldan daha kısa bir süre sonra, ilk yıldızların ve galaksilerin oluştuğu “kozmik şafak” olarak bilinen bir çağda oldukları gibi görüyoruz.
Bu erken, devasa kara delikleri açıklamak, galaksi evriminin mevcut modelleri için önemli bir zorluktur. Erken kara delikler, modern benzerlerinden çok daha verimli bir şekilde gaz biriktiriyor olabilir miydi? Ya da tozun varlığı, kuasar kütle tahminlerini, araştırmacıların erken kara delik kütlelerini abartmasına neden olacak şekilde etkileyebilir miydi? Şu anda çok sayıda önerilen açıklama var, ancak hiçbiri yaygın olarak kabul görmüyor.
Erken Kara Delik Büyümesine Daha Yakından Bir Bakış
Hangi açıklamaların doğru olduğuna karar vermek, daha önce mevcut olandan daha eksiksiz bir kuasar resmi gerektirir. Uzay teleskobu JWST’nin, özellikle teleskobun orta kızılötesi enstrümanı MIRI’nin ortaya çıkmasıyla, gökbilimcilerin uzak kuasarları inceleme yeteneği devasa bir sıçrama yaptı. Uzak kuasar spektrumlarını ölçmek için MIRI, önceki herhangi bir enstrümandan 4000 kat daha hassastır.
MIRI gibi aletler, bilim insanları, mühendisler ve teknisyenlerin yakın bir şekilde birlikte çalıştığı uluslararası konsorsiyumlar tarafından inşa edilir. Doğal olarak, bir konsorsiyum, aletlerinin planlandığı kadar iyi performans gösterip göstermediğini test etmekle çok ilgilenir. Aleti inşa etmenin karşılığında, konsorsiyumlara genellikle belirli bir gözlem süresi verilir. 2019’da, JWST’nin fırlatılmasından yıllar önce, MIRI Avrupa Konsorsiyumu bu sürenin bir kısmını o zamanlar bilinen en uzak kuasar olan J1120+0641 adıyla bilinen bir nesneyi gözlemlemek için kullanmaya karar verdi.
En Eski Kara Deliklerden Birinin Gözlemlenmesi
Gözlemleri analiz etme görevi Max Planck Astronomi Enstitüsü’nde (MPIA) doktora sonrası araştırmacı ve MIRI Avrupa konsorsiyumunun üyesi olan Dr. Sarah Bosman’a düştü. MPIA’nın MIRI enstrümanına katkıları arasında bir dizi önemli iç parçanın inşa edilmesi yer alıyor. Bosman’dan özellikle erken Evren’i, özellikle ilk süper kütleli kara delikleri incelemek için enstrümanın en iyi şekilde nasıl kullanılacağı konusunda uzmanlık getirmesi için MIRI iş birliğine katılması istendi.
Gözlemler, JWST’nin ilk gözlem döngüsü sırasında Ocak 2023’te gerçekleştirildi ve yaklaşık iki buçuk saat sürdü. Bunlar, Büyük Patlama’dan sadece 770 milyon yıl sonra (kırmızıya kayma z=7) kozmik şafak döneminde bir kuasarın ilk orta kızılötesi çalışmasını oluşturuyor. Bilgi bir görüntüden değil, bir spektrumdan geliyor: nesnenin ışığının farklı dalga boylarındaki bileşenlere gökkuşağı benzeri ayrışması.
Toz ve Hızla Hareket Eden Gazın İzlenmesi
Orta kızılötesi spektrumun genel şekli (“süreklilik”), tipik kuasarlarda birikim diskini çevreleyen büyük bir toz torusunun özelliklerini kodlar. Bu torus, maddeyi birikim diskine yönlendirmeye ve kara deliği “beslemeye” yardımcı olur. Büyük erken kara deliklere yönelik tercih edilen çözümü alternatif hızlı büyüme modlarında yatanlar için kötü haber: Bu çok erken kuasardaki torus ve buna bağlı olarak beslenme mekanizması, daha modern benzerleriyle aynı görünüyor. Tek fark, hızlı erken kuasar büyümesinin hiçbir modelinin öngörmediği bir farktır: daha az uzak kuasarlardaki en sıcak toz için bulunan 1300 K’den yaklaşık yüz Kelvin daha sıcak bir miktar daha yüksek toz sıcaklığı.
Spektrumun daha kısa dalga boylu kısmı, birikim diskinin kendisinden gelen emisyonlar tarafından domine edilir ve uzak gözlemciler olarak bizim için kuasarın ışığının normalden fazla toz tarafından azaltılmadığını gösterir. Belki de erken kara delik kütlelerini ek toz nedeniyle abarttığımız yönündeki argümanlar da çözüm değildir.
İlk Kuasarlar “Şok Edici Derecede Normal”
Gaz kümelerinin kara deliğin etrafında ışık hızına yakın hızlarda döndüğü kuasarın geniş hat bölgesi de normal görünüyor – bu, kara delik kütlesi ve çevredeki maddenin yoğunluğu ve iyonizasyonu hakkında çıkarımlarda bulunmayı sağlar – aynı zamanda. Spektrumdan çıkarılabilecek hemen hemen tüm özelliklerle, J1120+0641 daha sonraki zamanlardaki kuasarlardan farklı değildir.
“Genel olarak, yeni gözlemler gizemi daha da artırıyor: İlk kuasarlar şok edici derecede normaldi. Onları hangi dalga boylarında gözlemlersek gözlemleyelim, kuasarlar Evrenin tüm dönemlerinde neredeyse aynıdır,” diyor Bosman. Sadece süper kütleli kara deliklerin kendileri değil, beslenme mekanizmaları da Evren şu anki yaşının yalnızca %5’iyken görünüşe göre tamamen “olgunlaşmıştı”. Bir dizi alternatif çözümü eleyerek, sonuçlar süper kütleli kara deliklerin başlangıçtan itibaren astronomi jargonuyla önemli kütlelerle başladığı fikrini güçlü bir şekilde destekliyor: “ilkel” veya “büyük tohumlanmış”. Süper kütleli kara delikler ilk yıldızların kalıntılarından oluşmadı, sonra çok hızlı bir şekilde kütleleri arttı. Muhtemelen erken dönemdeki büyük gaz bulutlarının çökmesiyle en azından yüz bin güneş kütlesinden oluşan ilk kütlelerle erken oluşmuş olmalılar.
Referans: “JWST durağan kare kızılötesi spektroskopisiyle ortaya çıkarılan kozmik şafakta olgun bir kuasar” Sarah EI Bosman, Javier Álvarez-Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso-Herrero, Martin J. Ward, Göran Östlin, Thomas R. Greve, Gillian Wright, Arjan Bik, Leindert Boogaard, Karina Caputi, Luca Costantin, Andreas Eckart, Macarena García-Marín, Steven Gillman, Jens Hjorth, Edoardo Iani, Olivier Ilbert, Iris Jermann, Alvaro Labiano, Danial Langeroodi, Florian Peißker, Pierluigi Rinaldi, Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Güdel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom P. Ray, Ewine F. van Dishoeck ve Bart Vandenbussche, 17 Haziran 2024, Doğa Astronomi.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0