Gökbilimciler kökenleri belirsiz eski yalnız kuasarları tespit ediyor

Kuasar, merkezinde aktif bir süper kütleli kara deliğe ev sahipliği yapan bir galaksinin son derece parlak çekirdeğidir. Kara delik çevredeki gaz ve tozu çekerken muazzam miktarda enerji yayar ve kuasarları evrendeki en parlak nesnelerden biri haline getirir. Kuasarlar, Büyük Patlama’dan birkaç yüz milyon yıl kadar erken bir süre sonra gözlemlendi ve bu nesnelerin bu kadar kısa bir kozmik zaman içinde nasıl bu kadar parlak ve büyük kütleye sahip olabildikleri bir gizemdi.

Bilim adamları, en eski kuasarların, ilksel maddenin aşırı yoğun bölgelerinden ortaya çıktığını ve bu durumun, kuasarların ortamında çok sayıda küçük galaksinin de oluşmasına neden olabileceğini öne sürdüler. Ancak MIT liderliğindeki yeni bir çalışmada gökbilimciler, erken evrende şaşırtıcı derecede yalnız görünen bazı eski kuasarları gözlemlediler.

Gökbilimciler, bilinen beş eski kuasarın kozmik çevresini incelemek için NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu’nu (JWST) kullanarak zamanda 13 milyar yıldan fazla bir süre geriye baktılar. Mahallelerinde veya “kuasar alanlarında” şaşırtıcı bir çeşitlilik buldular. Bazı kuasarlar, tüm modellerin öngördüğü gibi, 50’den fazla komşu galaksinin bulunduğu çok kalabalık alanlarda bulunurken, geri kalan kuasarlar, çevrelerinde yalnızca birkaç başıboş galaksiyle boşluklarda sürükleniyor gibi görünüyor.

Bu yalnız kuasarlar, fizikçilerin, kara delik büyümelerini besleyecek önemli bir çevre maddesi kaynağı olmadan, bu tür parlak nesnelerin evrende bu kadar erken bir zamanda nasıl oluşmuş olabileceğine dair anlayışlarını zorluyor.

Araştırma ekibinde yardımcı doçent olan Anna-Christina Eilers, “Önceki inanışın aksine, ortalama olarak bu kuasarların erken evrenin en yüksek yoğunluklu bölgelerinde bulunmadığını görüyoruz. Bazıları hiçliğin ortasında duruyor gibi görünüyor” diyor. MIT’de fizik. “Beslenecek hiçbir şeyleri yok gibi görünüyorsa, bu kuasarların nasıl bu kadar büyüyebileceğini açıklamak zor.”

Bu kuasarların göründükleri kadar yalnız olmamaları, bunun yerine yoğun bir şekilde tozla kaplanmış ve dolayısıyla görüşten gizlenmiş galaksilerle çevrelenmiş olmaları ihtimali var. Eilers ve meslektaşları, kuasarların erken evrende nasıl bu kadar büyük, bu kadar hızlı büyüdüğünü anlamak için gözlemlerini bu tür kozmik tozların arkasını görmeye çalışacak şekilde ayarlamayı umuyorlar.

Eilers ve meslektaşları bulgularını bir raporda rapor ediyorlar. kağıt görünen Astrofizik Dergisi. MIT ortak yazarları arasında doktora sonrası araştırmacılar Rohan Naidu ve Minghao Yue; Francis Friedman Fizik Profesörü ve MIT Kavli Astrofizik ve Uzay Araştırmaları Enstitüsü müdürü Robert Simcoe; ve Leiden Üniversitesi, Santa Barbara’daki Kaliforniya Üniversitesi, ETH Zürih ve başka yerlerdeki kurumlardan işbirlikçiler.

Galaktik komşular

Yeni gözlemlenen beş kuasar bugüne kadar gözlemlenen en eski kuasarlar arasındadır. Yaşı 13 milyarı aşan nesnelerin Büyük Patlama’dan 600 ila 700 milyon yıl sonra oluştuğu düşünülüyor. Kuasarlara güç veren süper kütleli kara delikler, Güneş’ten milyar kat daha büyük ve bir trilyon kat daha parlaktır. Aşırı parlaklıkları nedeniyle, her bir kuasardan gelen ışık, evrenin yaşı boyunca, JWST’nin bugünkü son derece hassas dedektörlerine ulaşacak kadar uzağa gidebilir.

Eilers, “Artık 13 milyar yıl önceki ışığı bu kadar ayrıntılı bir şekilde yakalayabilen bir teleskopa sahip olmamız olağanüstü bir şey” diyor. “JWST ilk kez bu kuasarların çevrelerine, büyüdükleri yerlere ve mahallelerinin nasıl olduğuna bakmamızı sağladı.”

Ekip, JWST tarafından Ağustos 2022 ile Haziran 2023 arasında çekilen beş antik kuasarın görüntülerini analiz etti. Her bir kuasarın gözlemleri, birden fazla “mozaik” görüntüden veya kuasar alanının kısmi görüntülerinden oluşuyordu; ekip, tam bir resim oluşturmak için bunları etkili bir şekilde bir araya getirdi. her kuasarın çevresindeki mahallenin.

Teleskop ayrıca her kuasarın alanı boyunca birden fazla dalga boyunda ışık ölçümleri aldı; ekip daha sonra alandaki belirli bir nesnenin komşu bir galaksiden gelen ışık olup olmadığını ve bir galaksinin çok daha parlak olan merkezi kuasardan ne kadar uzakta olduğunu belirlemek için bunları işledi.

Eilers, “Bu beş kuasar arasındaki tek farkın, ortamlarının çok farklı görünmesi olduğunu bulduk” diyor. “Örneğin, bir kuasarın etrafında neredeyse 50 galaksi varken diğerinin sadece iki tane galaksisi var. Ve her iki kuasar da evrenle aynı boyut, hacim, parlaklık ve zamanda bulunuyor. Bunu görmek gerçekten şaşırtıcıydı.”

Büyüme atakları

Kuasar alanlarındaki eşitsizlik, kara delik büyümesi ve galaksi oluşumuna ilişkin standart resimde bir çarpıklığa yol açıyor. Fizikçilerin evrendeki ilk nesnelerin nasıl ortaya çıktığına dair en iyi anlayışına göre, gidişatı kozmik bir karanlık madde ağının belirlemesi gerekiyordu. Karanlık madde, maddenin henüz bilinmeyen bir şeklidir ve çevresiyle yerçekimi dışında hiçbir etkileşimi yoktur.

Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra, erken evrenin, bir tür yerçekimsel yol görevi gören, dalları boyunca gaz ve tozu çeken karanlık madde filamentleri oluşturduğu düşünülüyor. Bu ağın aşırı yoğun bölgelerinde madde birikerek daha büyük nesneler oluşturabilirdi. Kuasarlar gibi en parlak, en büyük kütleli erken nesneler, ağın en yüksek yoğunluklu bölgelerinde oluşmuş olmalı ve bu aynı zamanda çok daha fazla sayıda daha küçük galaksilerin ortaya çıkmasına neden olmuş olabilir.

Leiden Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan ortak yazar Elia Pizzati, “Karanlık maddenin kozmik ağı, evrene ilişkin kozmolojik modelimizin sağlam bir tahminidir ve sayısal simülasyonlar kullanılarak ayrıntılı olarak açıklanabilir” diyor. “Gözlemlerimizi bu simülasyonlarla karşılaştırarak kozmik ağ kuasarlarının nerede bulunduğunu belirleyebiliriz.”

Bilim adamları, gökbilimcilerin onları gözlemlediği zamanlarda, Büyük Patlama’dan 1 milyar yıldan daha kısa bir süre sonra, kuasarların aşırı kütle ve parlaklığa ulaşabilmeleri için çok yüksek birikim oranlarıyla sürekli olarak büyümeleri gerektiğini tahmin ediyorlar.

Eilers, “Cevaplamaya çalıştığımız asıl soru, evrenin hâlâ gerçekten çok genç olduğu bir zamanda milyarlarca güneş kütlesindeki kara deliklerin nasıl oluştuğudur? Henüz emekleme aşamasındadır” diyor.

Ekibin bulguları cevaplardan çok soruları gündeme getirebilir. “Yalnız” kuasarlar uzayın nispeten boş bölgelerinde yaşıyor gibi görünüyor. Eğer fizikçilerin kozmolojik modelleri doğruysa, bu çorak bölgeler çok az karanlık maddeye veya yıldızları ve galaksileri oluşturmak için başlangıç ​​malzemesine işaret ediyor. Peki son derece parlak ve büyük kütleli kuasarlar nasıl oluştu?

Eilers, “Sonuçlarımız, bu süper kütleli kara deliklerin nasıl büyüdüğüne dair yapbozun önemli bir parçasının hâlâ eksik olduğunu gösteriyor” diyor. “Bazı kuasarların sürekli büyümesi için etrafta yeterli malzeme yoksa, bu onların büyüyebilmesi için henüz çözemediğimiz başka bir yol olması gerektiği anlamına gelir.”

Bu hikaye MIT News’in izniyle yeniden yayınlanmıştır (web.mit.edu/newsoffice/MIT araştırması, inovasyonu ve öğretimi ile ilgili haberleri kapsayan popüler bir site.