I de sidste par årtier har astronomer været i stand til at se længere ind i universet (og også tilbage i tiden), næsten lige helt til begyndelsen af universet. Dermed har de lært meget om nogle af de tidligste galakser i universet og deres efterfølgende udvikling. Der er dog stadig nogle ting, der stadig er uden for grænserne, som når galakser med supermassive sorte huller (SMBH) og massive jetfly først dukkede op.
Ifølge nylige studier fra International School for Advanced Studies (SISSA) og et team af astronomer fra Japan og Taiwan giver ny indsigt i, hvordan supermassive sorte huller begyndte at dannes kun 800 millioner år efter Big Bang og relativistiske jetfly mindre end 2 milliarder år efter. Disse resultater er del af en voksende sag, der viser, hvordan massive genstande i vores univers dannede sig hurtigere end vi troede.
Astronomer har kendt SMB'er i over et halvt århundrede. Med tiden indså de, at de fleste massive galakser (inklusive Mælkevejen) har dem ved deres kerner. Den rolle, de spiller i udviklingen af galakser, har også været genstand for undersøgelse, hvor moderne astronomer konkluderede, at de er direkte relateret til hastigheden af stjernedannelse i galakser.
Tilsvarende har astronomer fundet, at SMBH'er har stramme beskyttelsesskiver omkring dem, hvor gas og støv accelereres for at komme tæt på lysets hastighed. Dette får midten af nogle galakser til at blive så lys - hvad der er kendt som aktive galaktiske kerner (AGN'er) - at de overskrider stjernerne på deres diske. I nogle tilfælde fører disse tiltrædelsesskiver også til jetstråler af varmt materiale, der kan ses fra milliarder af lysår væk.
I henhold til konventionelle modeller havde galakser ikke nok tid til at udvikle centrale sorte huller, da universet var mindre end en milliard år gammel (ca. 13 milliarder år siden). Nylige observationer har imidlertid vist, at der allerede var dannelse af sorte huller i centrum af galakser på det tidspunkt. I denne forbindelse foreslog et team af forskere fra SISSA en ny model, der giver en mulig forklaring.
Til deres undersøgelse, som blev ledet af Lumen Boco - en ph.d. studerende fra Institut for Grundlæggende Fysik i Universet (IFPU) - teamet startede med det velkendte faktum, at SMBH'er vokser i de centrale regioner i de tidlige galakser. Disse genstande, forfædre til elliptiske galakser i dag, havde en meget høj koncentration af gas og en ekstremt intens hastighed for ny stjernedannelse.
De første generationer af stjerner i disse galakser var kortvarige og udviklede sig hurtigt til sorte huller, der var relativt små, men betydelige i antal. Den tætte gas, der omringede dem, førte til betydelig dynamisk friktion og fik dem til at migrere hurtigt til midten af galaksen. Det var her de fusionerede for at skabe frøene fra supermassive sorte huller - som langsomt voksede med tiden.
Som forskerteamet forklarede i den seneste pressemeddelelse fra SISS:
”I henhold til klassiske teorier vokser et supermassivt sort hul midt i en galakse, der fanger det omgivende stof, hovedsageligt gas,“ dyrker det ”på sig selv og endelig fortærer det i en rytme, der er proportional med dens masse. Af denne grund er væksten meget langsom i de indledende faser af dens udvikling, når massen af det sorte hul er lille. I den udstrækning, at der ifølge beregningerne for at nå den observerede masse, milliarder af gange solen, var meget lang tid, endog større end det unge universs alder. ”
Den oprindelige matematiske model, de udviklede, viste imidlertid, at formationsprocessen for centrale sorte huller kunne være meget hurtig i dens indledende faser. Dette giver ikke kun en forklaring på eksistensen af SMBH-frø i det tidlige univers, men forener også tidspunktet for deres vækst med universets kendte alder.
Kort sagt, deres undersøgelse viste, at migrationsprocessen og fusioner af tidlige sorte huller kan føre til oprettelse af et SMBH-frø på 10.000 til 100.000 solmasser på kun 50-100 millioner år. Som teamet forklarede:
”[T] væksten af det sorte sorte hul i henhold til den førnævnte direkte optagelse af gas, der er påtænkt af standardteorien, vil blive meget hurtig, fordi den mængde gas, det vil lykkes med at tiltrække og absorbere, vil blive enorm og fremherskende på den proces, vi foreslår. Ikke desto mindre fremskynder netop det faktum, at vi starter fra et så stort frø, som vores mekanisme forestiller sig, den globale vækst af det supermassive sorte hul og tillader dets dannelse, også i Det unge univers. Kort sagt, i lyset af denne teori, kan vi oplyse, at 800 millioner år efter Big Bang de supermassive sorte huller allerede kunne befolke Cosmos. ”
Udover at foreslå en arbejdsmodel for observerede SMBH-frø, foreslog teamet også en metode til test af det. På den ene side er der gravitationsbølgerne, som disse fusioner ville forårsage, som kunne identificeres ved hjælp af tyngdekraftsdetektorer som Advanced LIGO / Virgo og karakteriseret ved det fremtidige Einstein-teleskop.
Derudover er de efterfølgende udviklingsfaser af SMBH'er noget, der kunne undersøges af missioner som ESAs Laserinterferometer Space Antenna (LISA), som forventes at blive lanceret omkring 2034. I en lignende vene brugte et andet team af astronomer for nylig Atacama Stor millimeter / submillimeter Array (ALMA) til at tackle et andet mysterium om galakser, hvorfor nogle har jetfly og andre ikke.
Disse hurtigt bevægende strømme af ioniseret stof, der bevæger sig i relativistiske hastigheder (en brøkdel af lysets hastighed), er blevet observeret stammende fra midten af nogle galakser. Disse jetfly er blevet knyttet til en galakas hastighed på stjernedannelse på grund af den måde, de udviser stof, der ellers ville kollapse og danne nye stjerner. Med andre ord spiller disse jetfly en rolle i udviklingen af galakser, ligesom SMBH'er.
Af denne grund har astronomer forsøgt at lære mere om, hvordan sorte hulstråler og gasskyer har interageret over tid. Desværre har det været vanskeligt at observere denne slags interaktioner i det tidlige univers. Ved hjælp af Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) lykkedes det et team af astronomer at få det første løste billede af forstyrrede gasformige skyer fra en meget fjern kvasar.
Undersøgelsen, der beskriver deres fund, ledet af prof. Kaiki Taro Inoue fra Kindai University, dukkede for nylig op på Astrofysiske tidsskriftsbreve. Som Inoue og hans kolleger forklarede, afslørede ALMA-data unge bipolære jetfly, der stammede fra MG J0414 + 0534, en kvasar, der ligger ca. 11 milliarder lysår fra Jorden. Disse fund viser, at galakser med SMBH'er og jetfly eksisterede, da Big Bang var mindre end 3 milliarder år gammel.
Foruden ALMA, stod teamet på en teknik kendt som gravitationslinsering, hvor tyngdekraften i en mellemliggende galakse forstørrer lys fra en fjern genstand. Takket være dette ”kosmiske teleskop” og ALMAs høje opløsning var teamet i stand til at observere de forstyrrede gasskyer omkring MG J0414 + 0534 og bestemme, at de var forårsaget af unge jetfly, der stammede fra en SMBH i midten af galaksen.
Som Kouichiro Nakanishi, en lektor ved projektet ved National Astronomical Observatory of Japan / SOKENDAI, forklarede i en ALMA-pressemeddelelse:
”Ved at kombinere dette kosmiske teleskop og ALMAs højopløsningsobservationer opnåede vi usædvanligt skarpt syn, det er 9.000 gange bedre end menneskets syn. Med denne ekstremt høje opløsning var vi i stand til at opnå fordelingen og bevægelsen af gasformede skyer omkring jetfly, der blev udsøgt fra et supermassivt sort hul.
Disse observationer viste også, at gassen blev påvirket, hvor den fulgte retning af jetflyene, hvilket fik partikler til at bevæge sig voldsomt og blev accelereret til hastigheder på op til 600 km / s (370 mps). Desuden var disse påvirkede gasformige skyer og selve jetflyene meget mindre end størrelsen på en typisk galakse i denne alder.
Fra dette konkluderede holdet, at de var vidne til en meget tidlig fase af jetudvikling i MG J0414 + 0534-galaksen. Hvis det er sandt, lod disse observationer holdet være vidne til en vigtig evolutionær proces i galakser under det tidlige univers. Som Inoue opsummerede:
”MG J0414 + 0534 er et fremragende eksempel på grund af jetflyets ungdom. Vi fandt bevis på, at der var betydelig interaktion mellem jetfly og gasskyer, selv i den meget tidlige evolutionære fase af jetfly. Jeg tror, at vores opdagelse vil bane vejen for en bedre forståelse af den evolutionære proces med galakser i det tidlige univers. ”
Sammen viser disse studier, at to af de mest magtfulde astronomiske fænomener i universet opstod tidligere end forventet. Denne opdagelse giver også astronomer muligheden for at undersøge, hvordan disse fænomener udviklede sig over tid, og den rolle, de spillede i universets udvikling.
