Τρεις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε γαλαξία της αυγής του Σύμπαντος

Αστρονόμοι εντόπισαν τρεις ενεργές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στον ίδιο γαλαξία, σε απόσταση άνω των 12,5 δισεκατομμυρίων ετών φωτός από τη Γη. Η ανακάλυψη, από διεθνή ομάδα με επικεφαλής το Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE), προσφέρει σπάνια εικόνα για το πώς οι τεράστιες μαύρες τρύπες αναπτύσσονταν και αλληλεπιδρούσαν στα πρώτα στάδια του Σύμπαντος.

Οι μαύρες τρύπες βρίσκονται στον γαλαξία J0148-4214 και όλες συσσωρεύουν ενεργά ύλη, η οποία στροβιλίζεται προς αυτές μέσα από δίσκους αερίου και υλικού. Επειδή ο γαλαξίας είναι τόσο μακρινός, το φως του ταξίδεψε για περίπου 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια πριν φτάσει στη Γη. Έτσι, τον βλέπουμε όπως ήταν μόλις 1,2 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Σε τέτοιες αποστάσεις, η διαστολή του Σύμπαντος τεντώνει το φως σε μεγαλύτερα, ερυθρότερα μήκη κύματος, ένα φαινόμενο που μετριέται ως ερυθρομετάθεση. Για τον J0148-4214, οι ερευνητές μέτρησαν ερυθρομετάθεση z=5.02, προσδιορίζοντας την εντυπωσιακή του απόσταση.

«Αυτή είναι η πρώτη ένδειξη για τρεις ενεργές μαύρες τρύπες σε έναν μόνο γαλαξία στο μακρινό Σύμπαν», λέει η Hannah Übler, επικεφαλής ερευνητικής ομάδας στο MPE και κύρια συγγραφέας της μελέτης.

Δύο από τις μαύρες τρύπες βρίσκονται κοντά στο κέντρο του γαλαξία, σε προβολική απόσταση μόλις 620 ετών φωτός μεταξύ τους. Η τρίτη είναι πολύ πιο έξω, περίπου 5.500 έτη φωτός από το κέντρο.

Η ανακάλυψη προσφέρει κρίσιμες ενδείξεις για το πώς οι μεγάλες μαύρες τρύπες συγκεντρώνονταν στο νεαρό Σύμπαν. «Αυτό υποδηλώνει ότι οι διεργασίες στο πρώιμο Σύμπαν ήταν αποτελεσματικές στο να φέρνουν κοντά τις μεγάλες μαύρες τρύπες, προετοιμάζοντας το έδαφος για τις συγχωνεύσεις υπερμεγέθων μαύρων τρυπών που αναμένουμε να ανιχνεύσουμε με μελλοντικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων», λέει η Übler.

Οι αστρονόμοι θεωρούν ότι οι συγκρούσεις και συγχωνεύσεις γαλαξιών ήταν συχνές στην αρχή της κοσμικής ιστορίας. Καθώς οι γαλαξίες ενώνονταν, οι κεντρικές τους μαύρες τρύπες μπορούσαν επίσης να πλησιάσουν και τελικά να συγχωνευθούν. Αυτές οι συγχωνεύσεις θα παρήγαγαν ολοένα και πιο ογκώδεις μαύρες τρύπες στα κέντρα των νέων γαλαξιών, κάτι που ίσως εξηγεί πώς ορισμένες έγιναν τόσο μεγάλες τόσο γρήγορα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Οι τρεις μαύρες τρύπες αναγνωρίστηκαν από χαρακτηριστικά μοτίβα στο φως που εκπέμπει το υδρογόνο. Κοντά σε μια μαύρη τρύπα, οι ισχυρές βαρυτικές δυνάμεις επιταχύνουν το αέριο σε εξαιρετικά μεγάλες ταχύτητες, αφήνοντας αναγνωρίσιμες «υπογραφές» στο φάσμα του φωτός. Έτσι ανιχνεύεται η δραστηριότητα, ακόμη κι όταν το αντικείμενο δεν διακρίνεται άμεσα.

Στο κέντρο του J0148-4214, η ομάδα βρήκε ιδιαίτερα περίπλοκο μοτίβο εκπομπών του υδρογόνου. Η πιο πειστική εξήγηση ήταν η ύπαρξη δύο γειτονικών μαύρων τρυπών και όχι μίας.

Για να τις διακρίνουν, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια ακριβή τεχνική μετρήσεων, τη σπεκτροαστρομετρία. Παρακολουθώντας ανεπαίσθητες μεταβολές στις θέσεις των φασματικών εκπομπών σε όλη την έκταση του γαλαξία, κατόρθωσαν να εντοπίσουν τα σημεία και των δύο κεντρικών μαύρων τρυπών, παρότι το τηλεσκόπιο δεν μπορούσε να τις διαχωρίσει ως δύο χωριστές πηγές φωτός. Οι ίδιες παρατηρήσεις αποκάλυψαν και την τρίτη ενεργή μαύρη τρύπα στη περιφέρεια του γαλαξία.

Οι μάζες των τριών μαύρων τρυπών διαφέρουν θεαματικά: περίπου 80 εκατομμύρια, 600.000 και 2 εκατομμύρια ηλιακές μάζες, σύμφωνα με τους υπολογισμούς των ερευνητών. Εντυπωσιακά, η μεγαλύτερη δεν τρέφεται πιο έντονα. Ο μικρότερος γείτονάς της, με μάζα περίπου 600.000 ήλιων, συσσωρεύει ύλη με πολύ υψηλότερο ρυθμό, που εκτιμάται ότι υπερβαίνει το βασικό θεωρητικό όριο ανάπτυξης μαύρων τρυπών (όριο Eddington). Αυτή η ασυνήθιστα γρήγορη αύξηση ίσως δίνει στοιχεία για το πώς ορισμένες μαύρες τρύπες έγιναν εξαιρετικά ογκώδεις στον περιορισμένο χρόνο του πρώιμου Σύμπαντος.

«Τα δεδομένα του JWST μας επέτρεψαν όχι μόνο να εντοπίσουμε τις τρεις μαύρες τρύπες, αλλά και να εκτιμήσουμε τις μάζες τους, τους ρυθμούς πρόσπτωσης και τη μάζα των άστρων του γαλαξία», λέει ο Dr. Giovanni Mazzolari, δεύτερος συγγραφέας της μελέτης και ερευνητής στο MPE. «Βρίσκουμε συνολική αστρική μάζα περίπου 1,3 δισεκατομμυρίων ήλιων, και οι μαύρες τρύπες αποτελούν σημαντικό κλάσμα αυτής».

Οι δύο κεντρικές μαύρες τρύπες αναμένεται να συγχωνευθούν μέσα στα επόμενα μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια. Η σύγκρουσή τους θα μπορούσε να δημιουργήσει ακόμη πιο ογκώδη μαύρη τρύπα, δείχνοντας μια διαδικασία που πιθανώς υπήρξε καθοριστική για την ταχεία ανάπτυξη των πρώτων κοσμικών «γιγάντων».

«Τα αποτελέσματα είναι εξαιρετικά συναρπαστικά», προσθέτει ο Roberto Maiolino, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Cambridge και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Υποδηλώνουν ότι η συγχώνευση μαύρων τρυπών μπορεί να είναι μια επιπλέον, ταχεία οδός για την ταχεία ανάπτυξή τους στο πρώιμο Σύμπαν».

Η τρίτη μαύρη τρύπα θέτει ένα ακόμη αίνιγμα. Βρίσκεται πολύ έξω από το κέντρο του γαλαξία και θα μπορούσε να είναι κατάλοιπο προηγούμενης συγχώνευσης που εκτινάχθηκε προς τα έξω από ισχυρή βαρυτική «κλωτσιά». Τέτοιο λάκτισμα μπορεί να συμβεί όταν οι συγχωνευόμενες μαύρες τρύπες εκπέμπουν βαρυτικά κύματα άνισα, στέλνοντας το τελικό αντικείμενο στην αντίθετη κατεύθυνση. Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι κινείται σταδιακά προς το κέντρο, όπου ίσως αλληλεπιδράσει αργότερα με τις άλλες δύο.

Η ανακάλυψη αναδεικνύει τις δυνατότητες του Διαστημικού Τηλεσκοπίου James Webb (JWST) στη μελέτη μακρινών μαύρων τρυπών. Ιδιαίτερα, υπογραμμίζει τη σημασία της φασματοσκοπίας ολοκληρωμένου πεδίου, που επιτρέπει την εξέταση του φωτός και των φασματικών του χαρακτηριστικών σε διαφορετικές περιοχές ενός γαλαξία.

Χρησιμοποιώντας το Near Infrared Spectrograph του Webb σε λειτουργία integral field spectroscopy (NIRSpec-IFS), οι ερευνητές διαχώρισαν σήματα που αλλιώς θα φαίνονταν να προέρχονται από μία μόνο μαύρη τρύπα. Χωρίς αυτή την λεπτομερή χωρική πληροφορία, οι αστρονόμοι πιθανότατα θα είχαν αναγνωρίσει μόνο μία από τις τρεις ενεργές μαύρες τρύπες του γαλαξία.

Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι και άλλοι μακρινοί γαλαξίες μπορεί να φιλοξενούν πολλαπλές αναπτυσσόμενες μαύρες τρύπες που έχουν διαφύγει της ανίχνευσης. Ο εντοπισμός περισσότερων τέτοιων κρυμμένων συστημάτων θα βοηθήσει στην ανασύνθεση της ιστορίας των συγχωνεύσεων και στην κατανόηση του πώς το Σύμπαν παρήγαγε τόσο ογκώδεις μαύρες τρύπες τόσο νωρίς.

Υλικό από το Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching. Σημείωση: Το περιεχόμενο ενδέχεται να έχει υποστεί επεξεργασία για λόγους ύφους και έκτασης.