In den letzten Jahrzehnten konnten Astronomen fast bis zu den Anfängen des Universums weiter in das Universum (und auch in die Vergangenheit) blicken. Auf diese Weise haben sie viel über einige der frühesten Galaxien im Universum und ihre nachfolgende Entwicklung gelernt. Es gibt jedoch noch einige Dinge, die noch verboten sind, beispielsweise als Galaxien mit supermassiven Schwarzen Löchern (SMBHs) und massiven Jets zum ersten Mal auftauchten.
Jüngsten Studien der International School for Advanced Studies (SISSA) und einem Team von Astronomen aus Japan und Taiwan zufolge liefern sie neue Erkenntnisse darüber, wie sich supermassive Schwarze Löcher nur 800 Millionen Jahre nach dem Urknall und relativistische Jets in weniger als 2 Milliarden Jahren gebildet haben nach. Diese Ergebnisse sind Teil eines wachsenden Falles, der zeigt, wie sich massive Objekte in unserem Universum früher gebildet haben, als wir dachten.
Astronomen kennen SMBHs seit über einem halben Jahrhundert. Mit der Zeit wurde ihnen klar, dass die meisten massiven Galaxien (einschließlich der Milchstraße) sie in ihren Kernen haben. Die Rolle, die sie bei der Entwicklung von Galaxien spielen, wurde ebenfalls untersucht. Moderne Astronomen kamen zu dem Schluss, dass sie in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Sternentstehung in Galaxien stehen.
In ähnlicher Weise haben Astronomen festgestellt, dass SMBHs enge Akkretionsscheiben um sich haben, auf denen Gas und Staub auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dies führt dazu, dass das Zentrum einiger Galaxien so hell wird - sogenannte aktive galaktische Kerne (AGNs) -, dass sie die Sterne in ihren Scheiben überstrahlen. In einigen Fällen führen diese Akkretionsscheiben auch zu heißen Materialstrahlen, die aus Milliarden von Lichtjahren Entfernung sichtbar sind.
Nach herkömmlichen Modellen hatten Galaxien nicht genug Zeit, um zentrale Schwarze Löcher zu entwickeln, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war (vor ca. 13 Milliarden Jahren). Jüngste Beobachtungen haben jedoch gezeigt, dass sich zu diesem Zeitpunkt bereits schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien bildeten. Um dies zu beheben, schlug ein Team von Wissenschaftlern der SISSA ein neues Modell vor, das eine mögliche Erklärung bietet.
Für ihre Studie, die von Lumen Boco geleitet wurde - ein Ph.D. Student am Institut für Grundlagenphysik des Universums (IFPU) - Das Team begann mit der bekannten Tatsache, dass SMBHs in den zentralen Regionen früher Galaxien wachsen. Diese Objekte, die heutigen Vorläufer elliptischer Galaxien, hatten eine sehr hohe Gaskonzentration und eine extrem intensive Geschwindigkeit der Sternentstehung.
Die ersten Generationen von Sternen in diesen Galaxien waren von kurzer Dauer und entwickelten sich schnell zu Schwarzen Löchern, die relativ klein, aber von erheblicher Anzahl waren. Das dichte Gas, das sie umgab, führte zu erheblicher dynamischer Reibung und führte dazu, dass sie schnell zum Zentrum der Galaxie wanderten. Hier verschmolzen sie, um die Samen supermassiver Schwarzer Löcher zu schaffen - die im Laufe der Zeit langsam wuchsen.
Wie das Forschungsteam in der jüngsten Pressemitteilung von SISS erklärte:
„Nach klassischen Theorien wächst ein supermassives Schwarzes Loch im Zentrum einer Galaxie, das die umgebende Materie, hauptsächlich Gas, einfängt, auf sich selbst„ wächst “und sie schließlich in einem Rhythmus verschlingt, der proportional zu ihrer Masse ist. Aus diesem Grund ist das Wachstum in den Anfangsphasen seiner Entwicklung, wenn die Masse des Schwarzen Lochs klein ist, sehr langsam. In dem Maße, in dem nach den Berechnungen, um die beobachtete Masse zu erreichen, die milliardenfach so hoch ist wie die der Sonne, eine sehr lange Zeit erforderlich wäre, sogar länger als das Alter des jungen Universums. “
Das ursprüngliche mathematische Modell, das sie entwickelten, zeigte jedoch, dass der Entstehungsprozess für zentrale Schwarze Löcher in den Anfangsphasen sehr schnell sein kann. Dies bietet nicht nur eine Erklärung für die Existenz von SMBH-Samen im frühen Universum, sondern bringt auch den Zeitpunkt ihres Wachstums mit dem bekannten Alter des Universums in Einklang.
Kurz gesagt, ihre Studie zeigte, dass der Migrationsprozess und die Verschmelzung früher Schwarzer Löcher in nur 50 bis 100 Millionen Jahren zur Schaffung eines SMBH-Keims mit 10.000 bis 100.000 Sonnenmassen führen können. Wie das Team erklärte:
„Das Wachstum des zentralen Schwarzen Lochs gemäß der oben erwähnten direkten Gasakkretion, das in der Standardtheorie vorgesehen ist, wird sehr schnell werden, da die Menge an Gas, die es erfolgreich anziehen und absorbieren kann, immens und vorherrschend wird den Prozess, den wir vorschlagen. Dennoch beschleunigt genau die Tatsache, von einem so großen Keim auszugehen, wie er von unserem Mechanismus vorgesehen ist, das globale Wachstum des supermassiven Schwarzen Lochs und ermöglicht dessen Bildung auch im jungen Universum. Kurz gesagt, angesichts dieser Theorie können wir feststellen, dass 800 Millionen Jahre nach dem Urknall die supermassiven Schwarzen Löcher bereits den Kosmos bevölkern könnten. “
Das Team schlug nicht nur ein Arbeitsmodell für beobachtete SMBH-Samen vor, sondern schlug auch eine Methode zum Testen vor. Einerseits gibt es die Gravitationswellen, die diese Fusionen verursachen würden, die mit Gravitationswellendetektoren wie Advanced LIGO / Virgo identifiziert und durch das zukünftige Einstein-Teleskop charakterisiert werden könnten.
Darüber hinaus könnten die nachfolgenden Entwicklungsphasen von SMBHs durch Missionen wie die Laserinterferometer-Weltraumantenne (LISA) der ESA untersucht werden, die voraussichtlich um 2034 starten wird. In ähnlicher Weise hat kürzlich ein anderes Team von Astronomen die Atacama eingesetzt Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA), um ein weiteres Rätsel um Galaxien zu lösen, weshalb einige Jets haben und andere nicht.
Es wurde beobachtet, dass diese sich schnell bewegenden Ströme ionisierter Materie, die sich mit relativistischen Geschwindigkeiten (einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit) fortbewegen, vom Zentrum einiger Galaxien ausgehen. Diese Jets wurden mit der Sternentstehungsrate einer Galaxie in Verbindung gebracht, weil sie Materie ausstoßen, die sonst zusammenbrechen würde, um neue Sterne zu bilden. Mit anderen Worten, diese Jets spielen eine Rolle bei der Entwicklung von Galaxien, ähnlich wie SMBHs.
Aus diesem Grund haben Astronomen versucht, mehr darüber zu erfahren, wie Schwarzlochjets und Gaswolken im Laufe der Zeit miteinander interagiert haben. Leider war es im frühen Universum schwierig, solche Wechselwirkungen zu beobachten. Mit dem Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) gelang es einem Team von Astronomen, das erste aufgelöste Bild von gestörten Gaswolken zu erhalten, die von einem sehr weit entfernten Quasar stammen.
Die Studie, die ihre Ergebnisse beschreibt und von Prof. Kaiki Taro Inoue von der Kindai University geleitet wurde, erschien kürzlich in der Astrophysical Journal Letters. Wie Inoue und seine Kollegen erklärten, enthüllten die ALMA-Daten junge bipolare Jets, die von MG J0414 + 0534 ausgehen, einem Quasar, der sich ungefähr 11 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt befindet. Diese Ergebnisse zeigen, dass Galaxien mit SMBHs und Jets existierten, als der Urknall weniger als 3 Milliarden Jahre alt war.
Zusätzlich zu ALMA stützte sich das Team auf eine als Gravitationslinsen bekannte Technik, bei der die Schwerkraft einer dazwischenliegenden Galaxie das von einem entfernten Objekt kommende Licht vergrößert. Dank dieses „kosmischen Teleskops“ und der hohen Auflösung von ALMA konnte das Team die gestörten Gaswolken um MG J0414 + 0534 beobachten und feststellen, dass sie von jungen Jets verursacht wurden, die von einem SMBH im Zentrum der Galaxie ausgehen.
Wie Kouichiro Nakanishi, Associate Professor am Nationalen Astronomischen Observatorium Japans / SOKENDAI, in einer ALMA-Pressemitteilung erklärte:
„Durch die Kombination dieses kosmischen Teleskops und der hochauflösenden Beobachtungen von ALMA haben wir eine außergewöhnlich scharfe Sicht erhalten, die 9.000-mal besser ist als das menschliche Sehvermögen. Mit dieser extrem hohen Auflösung konnten wir die Verteilung und Bewegung gasförmiger Wolken um Jets erhalten, die aus einem supermassiven Schwarzen Loch ausgestoßen wurden. “
Diese Beobachtungen zeigten auch, dass das Gas dort getroffen wurde, wo es der Richtung der Strahlen folgte, wodurch sich Partikel heftig bewegten und auf Geschwindigkeiten von bis zu 600 km / s (370 mps) beschleunigt wurden. Darüber hinaus waren diese aufprallenden Gaswolken und die Jets selbst in diesem Alter viel kleiner als die Größe einer typischen Galaxie.
Daraus schloss das Team, dass sie eine sehr frühe Phase der Jet-Evolution in der MG J0414 + 0534-Galaxie erlebten. Wenn dies zutrifft, ermöglichten diese Beobachtungen dem Team, einen wichtigen Evolutionsprozess in Galaxien während des frühen Universums mitzuerleben. Wie Inoue zusammengefasst hat:
„MG J0414 + 0534 ist aufgrund der Jugend der Jets ein hervorragendes Beispiel. Wir fanden bereits in der sehr frühen Evolutionsphase von Jets verräterische Hinweise auf eine signifikante Wechselwirkung zwischen Jets und Gaswolken. Ich denke, dass unsere Entdeckung den Weg für ein besseres Verständnis des Evolutionsprozesses von Galaxien im frühen Universum ebnen wird. “
Zusammen zeigen diese Studien, dass zwei der mächtigsten astronomischen Phänomene im Universum früher als erwartet aufgetreten sind. Diese Entdeckung bietet Astronomen auch die Möglichkeit zu untersuchen, wie sich diese Phänomene im Laufe der Zeit entwickelt haben und welche Rolle sie bei der Entwicklung des Universums gespielt haben.
