Süper kütleli kara deliklerin kökenini ortaya çıkarmak

Süper kütleli kara delik (SMBH; merkezdeki küçük siyah nokta), etrafındaki malzemeyi emer ve içeriye doğru akarken spiral disk benzeri bir şekil oluşturur. Maddenin yerçekimi enerjisi radyasyona dönüştürülür ve diskten uzağa yayılır. Bu parlak çevrelere sahip küçük ve orta büyüklükteki nesnelere kuasar adı verilmektedir. Kredi bilgileri: Yoshiki Matsuoka

Olağanüstü büyük kütlelere (Güneş’in kütlesinin bir milyon katından fazla, süper kütleli kara delikler (SMBH’ler) olarak bilinir) sahip kara delikler bugün evrende yaygın olarak bulunmaktadır. Ancak kökenleri ve 13,8 milyar yıllık kozmik evrim boyunca ne zaman, nerede ve nasıl ortaya çıktığına dair ayrıntılar gizemli kalıyor.

Geçtiğimiz birkaç on yılda yapılan araştırmalar, her galaksinin merkezinde küçük, son derece büyük galaksilerin bulunduğunu ve bunların kütlelerinin her zaman ev sahibi galaksinin kütlesinin binde biri olduğunu gösteriyor.

Bu yakın ilişki, galaksilerin ve ultra büyük galaksilerin birlikte evrimleştiğini gösteriyor. Bu nedenle, büyük kütleli yıldızların kökenini ortaya çıkarmak, yalnızca büyük gezegenlerin anlaşılması açısından değil, aynı zamanda gözlemlenebilir evrenin temel bileşenleri olan galaksilerin oluşum süreçlerinin aydınlatılması açısından da hayati önem taşıyor.

Bu sorunu çözmenin anahtarı, evrenin ortaya çıkışından bu yana zaman geçtiği için evrenin başlangıcında yatmaktadır. büyük patlama (yani evrenin başlangıcı) bir milyar yıldan daha kısa bir süre önceydi. Işığın sonlu hızı sayesinde uzak evreni gözlemleyerek geçmişe bakabiliyoruz. Evren yalnızca bir milyar yaşında veya daha küçükken, küçük ve orta büyüklükteki nesneler gerçekten var mıydı?

Subaru Teleskobu ile çektiğimiz gece gökyüzü görüntüsüne bir örnek. Büyütülmüş görüntünün ortasındaki küçük kırmızı nokta, evrenin 800 milyon yıllık (13 milyar ışıkyılı) yaşındayken var olan uzak bir kuasardan gelen ışığı temsil ediyor. Kredi bilgileri: Japonya Ulusal Astronomi Gözlemevi

mümkün mü Kara delik Bu kadar kısa sürede bu kadar büyük bir kütle (bir milyon güneş kütlesinden fazla ve bazen milyarlarca güneş kütlesine ulaşan) kazanmak? Eğer öyleyse, altta yatan mekanizmalar ve fiziksel koşullar nelerdir? Küçük ve orta büyüklükteki nesnelerin kökenine yaklaşmak için onları gözlemlemek ve özelliklerini teorik modellerden elde edilen tahminlerle karşılaştırmak gerekir. Bunu yapmak için öncelikle gökyüzünde nerede olduklarını belirlemeniz gerekir.

Araştırma ekibi bu çalışmayı yürütmek için Hawaii’deki Maunakea Dağı’nın tepesinde bulunan Subaru teleskopunu kullandı. Subaru’nun en büyük avantajlarından biri geniş alan gözetleme yeteneğidir ve özellikle bu amaç için çok uygundur.

Ultra ince nesneler ışık yaymadığı için ekip, kuasar adı verilen özel bir sınıf aradı; bunlar, düşen malzemenin yerçekimi enerjisini serbest bıraktığı parlak saçaklı küçük, ultra ince nesnelerdir. Gökyüzünde dolunayın 5.000 katına eşdeğer geniş bir alanı gözlemlediler ve erken evrende bulunan 162 kuazarı başarıyla keşfettiler. Özellikle bu kuasarlardan 22’si, evrenin yaşının 800 milyon yıldan daha az olduğu bir çağda mevcuttu; bu, kuasarların bugüne kadar tespit edildiği en eski dönemdir.

Keşfedilen çok sayıda kuasar, kuasarların uzay yoğunluğunu ışınım enerjisinin bir fonksiyonu olarak tanımlayan “parlaklık fonksiyonu” adı verilen temel bir ölçümü belirlemelerine olanak sağladı. Evrenin erken dönemlerinde kuasarların çok hızlı oluştuğunu, parlaklık fonksiyonunun genel şeklinin (genlik hariç) zaman içinde değişmeden kaldığını buldular.

Parlaklık fonksiyonu uzay yoğunluğunu (dikey eksende Φ) ışınım enerjisinin (yatay eksende M1450) bir fonksiyonu olarak tanımlar. Evren 0,8 (kırmızı noktalar), 0,9 (yeşil elmaslar), 1,2 (mavi kareler) ve 1,5 (siyah üçgenler) milyar yaşında iken gözlemlenen kuasarların parlaklık fonksiyonlarını çiziyoruz. Eğriler en uygun fonksiyonel formları temsil eder. Kuasarların uzay yoğunluğu zamanla keskin bir şekilde artarken, parlaklık fonksiyonunun şekli neredeyse değişmeden kaldı. Kredi: Astrophysical Journal Letters, 949, L42, 2023

Parlaklık fonksiyonunun bu farklı davranışı, sonuçta tüm gözlemlenebilir unsurları yeniden üretebilen ve süper kütleli kara deliklerin kökenini tanımlayabilen teorik modeller üzerinde güçlü kısıtlamalar sağlar.

Öte yandan evrenin ilk aşamalarında “kozmik yeniden iyonlaşma” adı verilen büyük bir geçiş yaşadığı biliniyordu. Önceki gözlemler, bu olayda galaksiler arası uzayın tamamının iyonize olduğunu gösteriyor. İyonlaşma enerjisinin kaynağı hala tartışılıyor; kuasarlardan gelen radyasyon umut verici bir aday.

Yukarıdaki parlaklık fonksiyonunu dahil ettiğimizde, kuasarların 10 ışık saçtığını görüyoruz.²⁸ Birim hacim 1’de saniye başına fotonlar Işık yılı Erken evrende bir tarafta. Bu, o dönemde galaksiler arası uzayın iyonize durumunu korumak için gereken fotonların %1’inden azını temsil ediyor ve dolayısıyla kuasarların kozmik yeniden iyonlaşmaya yalnızca küçük bir katkı yaptığını gösteriyor. Diğer yeni gözlemlere göre, galaksilerin oluşumundaki sıcak, büyük yıldızlardan gelen yerleşik radyasyon olabilecek başka enerji kaynaklarına acilen ihtiyaç duyulmaktadır.

Referans: Yoshiki Matsuoka, Masafusa Onoe, Kazushi Iwasawa, Michael A. Strauss, Nobunari Kashikawa, Takuma Izumi, Toru Nagao, Masatoshi Imanishi, Masayuki Akiyama, Jun D. Silverman, Naoko Asami, James Bush, Hisanori Furusawa, Tomotsugu Goto, James E. Gan, Yuichi Harikane, Hiroyuki Ikeda, Kohei Inayoshi, Rikako Ishimoto, Toshihiro Kawaguchi, Satoshi Kikuta, Kotaro Kohno, Yutaka Komiyama, Shin-Hsiu Lee, Robert H. Lupton, Takeo Minezaki, Satoshi Miyazaki, Hitoshi Murayama, Atsushi J. Nishizawa, Masamune Oguri, Yoshiaki Ono, Taira Oji, Masami Ochi, Paul A. Price, Hiroaki Sameshima, Naoshi Sugiyama, Philip J. Tate, Masahiro Takada, Ayumi Takahashi, Tadafumi Takata, Masayuki Tanaka, Yoshiki Toba, Xiangyu Wang ve Takuji Yamashita, 6 Haziran 2023, the Astrofizik Günlük Mektupları.
doi: 10.3847/2041-8213/acd69f

Çalışma Japonya Bilimi Teşvik Derneği, Mitsubishi Vakfı ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı tarafından finanse edildi.