Astronomowie odkryli tajemnice galaktyki z początku istnienia wszechświata. Jedna jest zdumiewająca

Dzięki badaniom przestrzeni kosmicznej prowadzonym przez NASA z pomocą teleskopu kosmicznego Jamesa Webba naukowcy mogą obserwować procesy zachodzące w wieku niemowlęcym wszechświata. Być może zaczynamy rozumieć początek jego ewolucji.

Publikacja: 10.03.2024 07:54

Galaktyka GNz-11

Galaktyka GNz-11

Foto: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz), Public domain, via Wikimedia Commons

Dwa zespoły naukowe pod kierownictwem prof. Roberto Maiolino z Cavendish Laboratory i Instytutu Kosmologii Kavli na Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii, przeprowadziły przełomowe dla astrofizyki obserwacje zaskakująco jasnej galaktyki GN-z11, która istniała już w czasie, gdy nasz Wszechświat miał zaledwie około 430 milionów lat.

Naukowcy nie mają wątpliwości, że ta galaktyka jest jedną z najstarszych i najodleglejszych, jakie kiedykolwiek widział człowiek. Pierwsze jej zdjęcia zostały wykonane jeszcze z pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble’a. Ze względu na unikalną jasność galaktyka została zbadana ponownie z pomocą teleskopu kosmicznego Jamesa Webba.

Nowa technologia pozwoliła na odkrycie niektórych tajemnic jakie skrywa odległa GN-z11. Najbardziej zdumiewającą z nich jest supermasywna czarna dziura (SMBH) znajdująca w centrum tej galaktyki. Jest to najdalszy i jednocześnie najstarszy taki obiekt odkryty w czasoprzestrzeni. Prof. Roberto Maiolino podkreśla, że wokół tej SMBH odkryto niezwykle gęsty i czysty gaz złożony z czystego zjonizowanego helu. Takie obłoki zazwyczaj występowały w pobliżu supermasywnych czarnych dziur kreujących materię miliardy lat temu.

Czytaj więcej

Astronomowie odkryli najjaśniejszy obiekt we Wszechświecie

W przypadku młodszych galaktyk i znajdujących się w nich SMBH o masie rzędu milionów lub miliardów słońca, proces ich powstawania wydaje się nam częściowo znany. Jakim jednak sposobem doszło do powstania tak masywnego obiektu w galaktyce, który ma zaledwie 430 milionów lat? Mechanizm powstawania takich studni grawitacyjnych wymaga przecież bardzo długiego czasu. Średnie tempo akrecji czarnych dziur (czyli przyrastania ich masy) wynosi około 1 proc. ich początkowej masy na 5 milionów lat. Zatem SMBH to obiekt, który powstaje bardzo wolno, nawet w odniesieniu do skali ewolucji wszechświata. Naukowcy w ogóle mają problem ze zrozumieniem powstawania takich obiektów nawet w młodszych galaktykach, ukształtowanych miliardy lat po Wielkim Wybuchu, ale przypadek SMBH ze środka galaktyki GN-z11, która ukształtowała się zaledwie 430 mln lat od Wielkiego Wybuchu zaburza przyjęty paradygmat modelu standardowego.

Jak powstały supermasywne czarne dziury oddalone o miliardy lat świetlnych? Hipoteza o olbrzymich quasigwiazdach

Jak powstawały supermasywne czarne dziury o masach rzędu miliardów mas Słońca, które są od nas oddalone o miliardy lat świetlnych? Jakie gwiazdy mogły zapoczątkować ten niewyjaśniony proces? Ciekawą hipotezę na ten temat zaproponował amerykański astrofizyk Mitchell Begelman z Uniwersytetu Kolorado w Boulder. Naukowiec zaproponował istnienie hipotetycznego typu olbrzymiej gwiazdy, którą nazwał Quasistar. W przeciwieństwie do „normalnych” gwiazd, w których wnętrzu zachodzą reakcje termojądrowe, we wnętrzu quasigwiazdy hipotetycznie może powstać czarna dziura. Begelman uważa, że takie gwiazdy mogły tworzyć się podczas standardowego procesu zagęszczania obłoku pyłu i gazu, ale obłok ten musiałby być znacznie większy od tych tworzących znane nam typy gwiazd. W tak masywnej gwieździe siły grawitacyjne krępują nawet temperaturę, która nie wydostaje się na zewnątrz, przez co obiekt rozgrzewa się tak silnie, że zostaje zachwiana równowaga hydrostatyczna pomiędzy materią i siłami. Quasigwiazdy Belgmana szybko ulegają implozji. Choć ich jądra ulegają zmiażdżeniu nie następuje po tym znany nam wybuch supernowej. Dlaczego? Ponieważ w obłokach gazowo-pyłowych młodego wszechświata nie było pierwiastków znacznie cięższych od helu.

Begelman doszedł do wniosku, że grawitacja obłoku pyłowego jest w takim wypadku silniejsza niż energia czarnej dziury. Dzięki temu obłok nie ulega rozerwaniu, ale zostaje w przyśpieszonym tempie pożarty przez czarną dziurę. W czasie tego procesu wyzwala się energia, która czyni quasigwiazdę biliony razy jaśniejszą od naszego Słońca.

Gwiazdy III populacji, czyli świadkowie początku ewolucji wszechświata

Taką koncepcję powstawania supermasywnych czarnych dziur we wczesnym wszechświecie częściowo potwierdzają właśnie wyniki obserwacji galaktyki GN-z11 prowadzone przez drugi zespół, również kierowany przez prof. Roberto Maiolino. Ta grupa naukowców wykorzystała spektrograf NIRSpec (spektrograf bliskiej podczerwieni) Webba do znalezienia gazowej bryły helu w halo otaczającym GN-z11.

Czytaj więcej

Poszukiwacze kosmitów, Czy istnieją pozaziemskie cywilizacje?

„W tym miejscu nie widzimy niczego poza helem” – komentuje badania Maiolino. Ta klarowność składu chemicznego obłoku potwierdza hipotezę Mitchella Begelmana, że w halo powinny znajdować się „kieszenie” nieskazitelnego gazu, które mogą się zapaść i utworzyć gromady gwiazd III populacji.

Dla astrofizyków poszukiwania nigdy wcześniej nie zaobserwowanych gwiazd III populacji, czyli pierwszych gwiazd młodego wszechświata utworzonych niemal wyłącznie z wodoru i helu, jest odpowiednikiem poszukiwania świętego Graala w archeologii. To jeden z najważniejszych celów współczesnej astrofizyki. Naukowcy uważają, że będą to gwiazdy bardzo masywne, bardzo jasne i bardzo gorące. To co bez wątpienia je wyróżnia to obecność zjonizowanego helu i brak pierwiastków chemicznych od niego cięższych. Będą to zatem najczystsze chemicznie „brylanty” helowe odnalezione w odległej o miliardy lat świetlnych przestrzeni kosmicznej.

Jak słusznie oceniają naukowcy z obu zespołów: te pierwsze gwiazdy były pierwszym symptomem ewolucji kosmosu przeobrażającego się z ciemnego i stosunkowo prostego stanu do wysoce zorganizowanego i złożonego środowiska, które widzimy dzisiaj.

Kosmos
NASA szuka sposobu na sprowadzanie próbek z Marsa. Tanio i szybko
Kosmos
Odszedł Peter Higgs, odkrywca boskiej cząstki
Kosmos
Badania neutrin pomogą rozwiązać zagadkę powstania wszechświata
Kosmos
Księżyc będzie miał własną strefę czasową? Biały Dom nakazał ustalenie standardu
Kosmos
Astronomowie odkryli najjaśniejszy obiekt we Wszechświecie