De James Webb-ruimtetelescoop heeft in zijn eerste jaar van dienst een van de meest onverwachte bevindingen gedaan:een groot aantal zwakke kleine rode stippen in het verre heelal zou de manier kunnen veranderen waarop we het ontstaan ​​van superzware zwarte gaten begrijpen.

Het onderzoek, geleid door Jorryt Matthee, universitair docent astrofysica aan het Institute of Science and Technology Austria (ISTA), is nu gepubliceerd in The Astrophysical Journal .

Een stel kleine rode stippen gevonden in een klein deel van onze nachtelijke hemel zou inderdaad een onverwachte doorbraak kunnen zijn voor de James Webb Space Telescope (JWST) tijdens zijn eerste jaar van dienst. Deze objecten waren niet te onderscheiden van normale sterrenstelsels door de ‘ogen’ van de oudere Hubble-ruimtetelescoop.

‘Zonder voor dit specifieke doel te zijn ontwikkeld, heeft de JWST ons geholpen vast te stellen dat zwakke, kleine rode stippen – die heel ver weg in het verre verleden van het universum zijn gevonden – kleine versies zijn van extreem massieve zwarte gaten. Deze speciale objecten kunnen de manier waarop we leven veranderen. denk na over het ontstaan ​​van zwarte gaten", zegt Matthee, assistent-professor aan het Institute of Science and Technology Austria (ISTA), en hoofdauteur van het onderzoek.

‘De huidige bevindingen zouden ons een stap dichter bij het antwoord op een van de grootste dilemma’s in de astronomie kunnen brengen:volgens de huidige modellen zijn sommige superzware zwarte gaten in het vroege heelal simpelweg ‘te snel’ gegroeid. Hoe zijn ze dan ontstaan?"

De kosmische punten waarop geen terugkeer mogelijk is

Wetenschappers beschouwden zwarte gaten lange tijd als een wiskundige curiositeit, totdat hun bestaan ​​steeds duidelijker werd. Deze vreemde kosmische bodemloze putten kunnen zulke compacte massa’s en een sterke zwaartekracht hebben dat niets aan hun aantrekkingskracht kan ontsnappen; ze zuigen alles op, inclusief kosmisch stof, planeten en sterren, en vervormen de ruimte en tijd om hen heen zodanig dat zelfs licht niet kan ontsnappen.

De algemene relativiteitstheorie, die Albert Einstein ruim een ​​eeuw geleden publiceerde, voorspelde dat zwarte gaten elke massa konden hebben. Enkele van de meest intrigerende zwarte gaten zijn de superzware zwarte gaten (SMBH's), die miljoenen tot miljarden maal de massa van de zon kunnen bereiken. Astrofysici zijn het erover eens dat er in het centrum van vrijwel elk groot sterrenstelsel een SMBH aanwezig is. Het bewijs dat Boogschutter A* een SMBH is in het centrum van onze Melkweg met meer dan vier miljoen keer de massa van de zon, leverde in 2020 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op.

Te groot om daar te zijn

Niet alle MKBH’s zijn echter hetzelfde. Hoewel Boogschutter A* kan worden vergeleken met een slapende vulkaan, groeien sommige SMBH's extreem snel door astronomische hoeveelheden materie te verzwelgen. Daardoor worden ze zo lichtgevend dat ze kunnen worden waargenomen tot aan de rand van het steeds groter wordende heelal. Deze SMBH's worden quasars genoemd en behoren tot de helderste objecten in het universum.

"Een probleem met quasars is dat sommige ervan overdreven groot lijken, te massief gezien de leeftijd van het universum waarop de quasars worden waargenomen. We noemen ze de 'problematische quasars'", zegt Matthee.

‘Als we bedenken dat quasars hun oorsprong vinden in de explosies van massieve sterren – en dat we hun maximale groeisnelheid kennen op basis van de algemene wetten van de natuurkunde, zien sommige ervan eruit alsof ze sneller zijn gegroeid dan mogelijk is. Het is alsof je naar een periode van vijf jaar kijkt. -oud kind van twee meter lang. Er klopt iets niet', legt hij uit.

Kunnen SMBH’s misschien nog sneller groeien dan we aanvankelijk dachten? Of vormen ze anders?

Kleine versies van gigantische kosmische monsters

Nu identificeren Matthee en zijn collega's een populatie objecten die als kleine rode stippen verschijnen in JWST-afbeeldingen. Ze tonen ook aan dat deze objecten SMBH's zijn, maar niet overdreven massieve objecten.

Centraal bij het vaststellen dat deze objecten SMBH's zijn, was de detectie van Hα-spectrale emissielijnen met brede lijnprofielen. Ha-lijnen zijn spectraallijnen in het dieprode gebied van zichtbaar licht die worden uitgezonden wanneer waterstofatomen worden verwarmd. De breedte van de spectra volgt de beweging van het gas.

‘Hoe breder de basis van de Hα-lijnen, hoe hoger de gassnelheid. Deze spectra vertellen ons dus dat we naar een heel kleine gaswolk kijken die extreem snel beweegt en rond iets heel massiefs als een SMBH draait’, zegt Matthee. /P>

De kleine rode stippen zijn echter niet de gigantische kosmische monsters die voorkomen in overdreven grote SMBH's.

‘Terwijl de ‘problematische quasars’ blauw en extreem helder zijn en miljarden keren de massa van de zon bereiken, lijken de kleine rode stippen meer op ‘baby-quasars’. Hun massa ligt tussen de tien en honderd miljoen zonsmassa's. Bovendien zien ze er rood uit omdat ze stoffig zijn. Het stof verduistert de zwarte gaten en maakt de kleuren rood", zegt Matthee.

Maar uiteindelijk zal de uitstroom van gas uit de zwarte gaten de stofcocon doorboren, en zullen reuzen uit deze kleine rode stippen evolueren. De ISTA-astrofysicus en zijn team suggereren dus dat de kleine rode stippen kleine, rode versies zijn van gigantische blauwe SMBH's in de fase die dateert van vóór de problematische quasars.

"Door de babyversies van de al te grote SMBH's gedetailleerder te bestuderen, kunnen we beter begrijpen hoe problematische quasars ontstaan", legt Matthee uit.

Een 'doorbraak'-technologie

Matthee en zijn team konden de baby-quasars vinden dankzij de datasets die waren verkregen door de samenwerkingen met EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) en FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations). Het gaat om een ​​groot en een middelgroot JWST-programma waarbij Matthee betrokken was. Afgelopen december, Physics World magazine plaatste EIGER in de top 10 van doorbraken van het jaar voor 2023.

"EIGER is ontworpen om specifiek de zeldzame blauwe superzware quasars en hun omgevingen te bestuderen. Het was niet ontworpen om de kleine rode stippen te vinden. Maar we hebben ze bij toeval gevonden in dezelfde dataset. Dit komt omdat EIGER door gebruik te maken van de Near Infrared Camera van de JWST verkrijgt emissiespectra van alle objecten in het universum", zegt Matthee. "Als je je wijsvinger opsteekt en je arm volledig uitstrekt, komt het deel van de nachtelijke hemel dat we hebben onderzocht overeen met ongeveer een twintigste van het oppervlak van je nagel. Tot nu toe hebben we waarschijnlijk alleen maar het oppervlak bekrast."

Matthee is ervan overtuigd dat de huidige studie vele wegen zal openen en een aantal van de grote vragen over het universum zal helpen beantwoorden.

"Zwarte gaten en SMBH's zijn mogelijk de meest interessante dingen in het universum. Het is moeilijk uit te leggen waarom ze er zijn, maar ze zijn er wel. We hopen dat dit werk ons ​​zal helpen een van de grootste sluiers van mysterie over het universum op te lichten", zegt hij. besluit hij.

Meer informatie: Kleine rode stippen:een overvloedige populatie van zwakke actieve galactische kernen (AGN) op z ~ 5 onthuld door de EIGER en FRESCO JWST Surveys, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2345

Journaalinformatie: Astrofysisch tijdschrift , Natuurkundewereld

Aangeboden door Instituut voor Wetenschap en Technologie Oostenrijk