Πόσο «βάρος» έχει μία μαύρη τρύπα; Το James Webb έκανε για πρώτη φορά άμεση μέτρηση στο πρώιμο Σύμπαν!

Σύνοψη

• Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) πραγματοποίησε την πρώτη άμεση μέτρηση της μάζας μιας ανενεργής μαύρης τρύπας στο πρώιμο Σύμπαν.
• Η συγκεκριμένη μαύρη τρύπα εντοπίζεται στο κέντρο του γαλαξία MRG-M0138 και έχει μάζα 6 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τον Ήλιο.
• Ο γαλαξίας αυτός παρατηρείται σε μια χρονική στιγμή όπου το σύμπαν ήταν μόλις 3 δισεκατομμυρίων ετών (redshift 2).
• Η ερευνητική ομάδα του Carnegie Science χρησιμοποίησε το φαινόμενο του βαρυτικού φακού (gravitational lensing), το οποίο μεγέθυνε την εικόνα του γαλαξία περίπου 30 φορές.
• Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science και ανοίγει νέους δρόμους για την κατανόηση της εξέλιξης των γαλαξιών και των υπερμεγεθών μαύρων τρυπών.

Η αστρονομική έρευνα σημείωσε ένα σημαντικό ορόσημο, καθώς για πρώτη φορά οι επιστήμονες κατάφεραν να μετρήσουν απευθείας τη μάζα μιας ανενεργής υπερμεγέθους μαύρης τρύπας, η οποία βρίσκεται στο κέντρο ενός γαλαξία του πρώιμου Σύμπαντος. Η ανακάλυψη κατέστη δυνατή χάρη στα προηγμένα οπτικά συστήματα του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb (JWST) της NASA, σε συνδυασμό με τις δυνατότητες παρατήρησης της τεχνικής του βαρυτικού φακού.

Το αντικείμενο της έρευνας εντοπίζεται στο κέντρο του γαλαξία MRG-M0138. Το φως που συλλέγει το JWST από αυτόν τον γαλαξία ταξίδευε για περίπου 10 δισεκατομμύρια χρόνια, κάτι που σημαίνει ότι αποτυπώνει το Σύμπαν στην ηλικία των 3 δισεκατομμυρίων ετών. Το πιο εντυπωσιακό χαρακτηριστικό της ανακάλυψης είναι το μέγεθος του κοσμικού αυτού σώματος, μιας και η μάζα του υπολογίζεται σε 6 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου.

Η πρόκληση της ανίχνευσης μιας ανενεργής μαύρης τρύπας

Οι ενεργές μαύρες τρύπες τρέφονται με αέρια και εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες ακτινοβολίας, δημιουργώντας τα γνωστά quasar. Η φωτεινότητά τους τις καθιστά εύκολα ανιχνεύσιμες, ακόμη και σε τεράστιες αποστάσεις. Ωστόσο, η μαύρη τρύπα στον γαλαξία MRG-M0138 είναι “ήσυχη”. Δεν καταβροχθίζει πλέον υλικό και, κατά συνέπεια, δεν εκπέμπει φως, ενώ και ο ίδιος ο γαλαξίας της έχει σταματήσει την παραγωγή νέων άστρων.

Μέχρι σήμερα, η μέθοδος του υπολογισμού της μάζας μιας μαύρης τρύπας μέσω της παρατήρησης των κινήσεων των γειτονικών της άστρων εφαρμόζονταν αποκλειστικά στο τοπικό Σύμπαν, δηλαδή σε σχετικά κοντινές αποστάσεις που έφταναν έως και τα 700 εκατομμύρια έτη φωτός. Η ανίχνευση της βαρυτικής επίδρασης μιας ανενεργής μαύρης τρύπας στα άστρα του γαλαξία της, σε απόσταση 10 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, αποτελούσε ένα άλυτο τεχνικό πρόβλημα για τα τηλεσκόπια παλαιότερης γενιάς.

JWST και βαρυτικός φακός

Η ερευνητική ομάδα ξεπέρασε τους τεχνικούς περιορισμούς αξιοποιώντας το φαινόμενο του βαρυτικού φακού φακό. Ο γαλαξίας MRG-M0138 βρίσκεται ακριβώς πίσω από ένα τεράστιο σμήνος γαλαξιών σε σχέση με τη Γη, με αποτέλεσμα η τεράστια μάζα του ενδιάμεσου σμήνους να καμπυλώνει τον χωροχρόνο, αλλά και το φως του απομακρυσμένου γαλαξία. Αυτό λειτουργεί ως ένας μεγεθυντικός φακός, καθιστώντας την εικόνα του MRG-M0138 περίπου 30 φορές μεγαλύτερη από την πραγματική.

Συνδυάζοντας τη μεγέθυνση αυτή με την ανάλυση της κάμερας NIRCam του τηλεσκοπίου James Webb, οι αστρονόμοι μπόρεσαν να παρατηρήσουν τον “σμήνος” των άστρων στο κέντρο του γαλαξία, εστιάζοντας στην ταχύτητα περιστροφής τους. Η ισχυρή βαρυτική έλξη της μαύρης τρύπας επιταχύνει τα άστρα που βρίσκονται στη “σφαίρα επιρροής” της και υπολογίζοντας αυτές τις ταχύτητες, η ομάδα κατάφερε να προχωρήσει στην ακριβή μέτρηση της μάζας της.

Συνέπειες για την κατανόηση της εξέλιξης του Σύμπαντος

Ο εντοπισμός αυτής της γιγαντιαίας μάζας αναδιαμορφώνει τα δεδομένα γύρω από την ανάπτυξη των γαλαξιών στο πρώιμο Σύμπαν. Στο κοντινό Σύμπαν, παρατηρείται ότι η μάζα της κεντρικής μαύρης τρύπας είναι ανάλογη της μάζας της κεντρικής περιοχής του γαλαξία που τη φιλοξενεί. Το ερώτημα που απασχολεί την αστροφυσική κοινότητα είναι εάν αυτή η συσχέτιση υπήρχε και στα πρώτα στάδια της δημιουργίας του Σύμπαντος.

Τα δεδομένα από τον γαλαξία MRG-M0138 αποδεικνύουν ότι οι πιο πυκνοί γαλαξίες του πρώιμου Σύμπαντος υπήρξαν περιοχές ραγδαίας ανάπτυξης μαύρων τρυπών. Η μαύρη τρύπα αυτού του γαλαξία ενδέχεται στο παρελθόν να ήταν ένα εξαιρετικά ισχυρό κβάζαρ και η τεράστια ενέργεια που εκλυόταν κατά την ενεργή της φάση πιθανότατα απομάκρυνε ή κατέστρεψε τα διαστρικά αέρια, σταματώντας έτσι βίαια τη δημιουργία νέων άστρων.

Η διαδικασία αυτή εξηγεί γιατί ο γαλαξίας MRG-M0138 είναι πλέον ένας “νεκρός” γαλαξίας, στερούμενος του υλικού που απαιτείται για την αστρογένεση. Αυτή η δυναμική αλληλεπίδραση επιβεβαιώνει τις υποθέσεις ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες παίζουν καθοριστικό ρόλο στο τελικό “σχήμα” και τον κύκλο ζωής των γαλαξιών.

Στο άμεσο μέλλον, το ευρωπαϊκό δορυφορικό τηλεσκόπιο Euclid και το Nancy Grace Roman Space Telescope της NASA πρόκειται να χαρτογραφήσουν τον ουρανό με ακόμη μεγαλύτερη ταχύτητα, εντοπίζοντας χιλιάδες νέους βαρυτικούς φακούς. Παράλληλα, το Giant Magellan Telescope, το οποίο κατασκευάζεται στη Χιλή, θα παρέχει στο μέλλον τη δυνατότητα μελέτης αυτών των εξαιρετικά απομακρυσμένων συστημάτων απευθείας από την επιφάνεια της Γης, αξιοποιώντας συστήματα προσαρμοστικής οπτικής που ακυρώνουν την παραμόρφωση της ατμόσφαιρας.