Kara delikler ve kuasarlar Büyük Patlama’dan bir milyar yıldan az bir süre sonra oluştu

Her galaksinin merkezinde, evrendeki ilk galaksilerden bazılarına kadar uzanan süper kütleli kara delikler var gibi görünüyor. Oraya nasıl gittikleri hakkında hiçbir fikrimiz yok. Süpernova kalıntılarından devasa boyutlara bu kadar hızlı büyümeleri mümkün olmamalı. Üstel büyümenin gerekli olmayacağı kadar büyük bir şey oluşturabilecek başka bir mekanizmanın farkında değiliz.

Erken evrende süper kütleli kara deliklerin görünürdeki imkansızlığı gerçekten de küçük bir sorundu; James Webb Uzay Teleskobu, süper kütleli kara deliklere sahip galaksilerin önceki örneklerini bularak durumu daha da kötüleştirdi. Son örnekte araştırmacılar, Büyük Patlama’dan yaklaşık 750 milyon yıl sonra var olan, süper kütleli bir kara delik tarafından desteklenen bir kuasar’ı karakterize etmek için Webb’i kullandılar. Ve şaşırtıcı derecede normal görünüyor.

Zamanda geriye bakmak

Kuasarlar, süper kütleli kara delikler tarafından aktif olarak beslenen, evrendeki en parlak nesnelerdir. Onları çevreleyen galaksi, onlara, her ikisi de bol miktarda radyasyon yayan parlak birikim diskleri ve güçlü jetler oluşturmaya yetecek kadar malzeme sağlıyor. Genellikle kara deliğin yaydığı enerjinin bir kısmının soğurulması sonucu parıldayan tozla kısmen kaplanırlar. Bu kuasarlar o kadar çok radyasyon yayarlar ki, sonunda yakınlardaki bazı maddeleri galaksinin tamamen dışına iterler.

Dolayısıyla, bu özelliklerin erken evrendeki varlığı bize, süper kütleli kara deliklerin yalnızca erken evrende var olmadığını, aynı zamanda daha yakın zamanda galaksilere dahil olduğunu da söyleyecektir. Ancak çalışmaları çok zordu. Yeni başlayanlar için çoğunu tanımlamadık; Evrenin 800 milyon yıl öncesine tarihlenen yalnızca dokuz kuasar var. Bu mesafeden dolayı özellikleri tanımlamak zordur ve evrenin genişlemesinden kaynaklanan kırmızıya kayma, birçok elementten gelen yoğun morötesi ışınımı alıp derin kızılötesine kadar uzatır.

Ancak Webb teleskopu, bu radyasyonun ortaya çıktığı kızılötesi dalga boylarına olan duyarlılığı sayesinde erken evrendeki nesneleri tespit etmek için özel olarak tasarlanmıştır. Dolayısıyla yeni araştırma, Webb’in keşfedilen dokuz kuasardan ilki olan J1120+0641’e işaret etmesine dayanıyor.

Ve oldukça normal görünüyor. Ya da en azından evrenin tarihindeki daha yakın dönemlere ait kuasarlara çok benzer.

Çoğunlukla normal

Araştırmacılar kuasardan gelen radyasyonun sürekliliğini analiz ettiler ve daha sonraki kuasarlarda görüldüğü gibi, kuasarın sıcak, tozlu bir malzeme kütlesine gömüldüğüne dair açık belirtiler buldular. Bu toz, bazı modern kuasarlardan biraz daha sıcak, ancak bu, evrenin tarihinin ilk aşamalarındaki bu nesnelerin ortak bir özelliği gibi görünüyor. Birikme diskinden gelen radyasyon da emisyon spektrumunda görülür.

10 bölgesindeki bir kara deliğin kütlesel üretilen değerlerini tahmin etmek için farklı yöntemler⁹ Güneş’in kütlesinin çoğu, onu süper kütleli kara delik bölgesinde açıkça ortaya koyuyor. Ayrıca, radyasyonun bir kısmındaki hafif maviye kaymadan, kuasarın saniyede yaklaşık 350 kilometre hızla madde saçtığına dair kanıtlar da mevcut.

Birkaç tuhaflık var. Birincisi, malzemenin saniyede yaklaşık 300 kilometre hızla içeriye doğru düşüyor gibi görünmesi. Bunun nedeni, malzemenin birikim diskinde bizden uzaklaşması olabilir. Ancak eğer öyleyse, diskin diğer tarafında bize doğru dönen bir malzeme tarafından karşılanması gerekir. Bu, çok erken dönem kuasarlarda birkaç kez daha görüldü, ancak araştırmacılar “bu etkinin fiziksel kökeninin bilinmediğini” kabul ediyorlar.

Açıklama olarak öne sürdükleri seçeneklerden biri, kuasarın tamamının hareket ettiği, başka bir süper kütleli kara delikle daha önce meydana gelen birleşme nedeniyle galaktik merkezdeki konumundan sarsıldığıdır.

Bir başka tuhaf şey de, ileriki zamanlarda kuasarlardakinden iki kat daha hızlı hareket eden, oldukça hızlı iyonize olmuş karbon akışının da mevcut olmasıdır. Bunu daha önce de gördük ama bunun da bir açıklaması yok.

Bu nasıl oldu?

Tuhaflıklarına rağmen, bu nesne güncel kuasarlara çok benziyor: “Gözlemlerimiz tozlu torusun ve yıldızın karmaşık yapılarının olduğunu gösteriyor. [accretion disk] Kendini kanıtlayabilir [supermassive black hole] “Büyük Patlama’dan sonra 760 milyondan az.”

Tekrar ediyorum, bu biraz problem teşkil ediyor çünkü evrenin tarihinin çok erken bir döneminde, ev sahibi galakside gömülü süper kütleli bir kara deliğin varlığını akla getiriyor. Burada gösterilen boyutlara ulaşmak için kara delikler, Eddington sınırı olarak adlandırılan sınıra kadar yükselir; bu, ortaya çıkan radyasyonun yakındaki malzemeleri dışarı atmasından ve kara deliğin besin kaynağını boğmasından önce çekebilecekleri malzeme miktarıdır.

Bu iki seçeneği akla getiriyor. Birincisi, bu nesnelerin tarihlerinin çoğu boyunca Eddington sınırının çok ötesinde malzeme emmiş olmalarıdır; bu, gözlemlemediğimiz bir şeydir ve bu kuasar için kesinlikle doğru değildir. Diğer seçenek ise çok büyük bir başlangıç ​​yapmalarıdır (yaklaşık 10⁴ Güneş kütlesinin katı kadar) ve daha makul bir oranda beslenmeye devam etti. Ancak bu kadar büyük bir şeyin nasıl oluşabileceğini gerçekten bilmiyoruz.

Bu nedenle evrenin erken dönemleri biraz kafa karıştırıcı bir yer olmaya devam ediyor.

Doğal Astronomi, 2024. DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0 (Dijital kimlikler hakkında).