Rymdteleskopet James Webb har gjort ett av de mest oväntade fynden under sitt första verksamhetsår:Ett stort antal svaga små röda prickar i det avlägsna universum kan förändra hur vi förstår uppkomsten av supermassiva svarta hål.
Forskningen, ledd av Jorryt Matthee, biträdande professor i astrofysik vid Institute of Science and Technology Austria (ISTA), publiceras nu i The Astrophysical Journal .
Ett gäng små röda prickar som hittats i en liten del av vår natthimmel kan verkligen vara ett oväntat genombrott för James Webb Space Telescope (JWST) under dess första tjänsteår. Dessa objekt kunde inte skiljas från normala galaxer genom "ögonen" på det äldre rymdteleskopet Hubble.
"Utan att ha utvecklats för detta specifika ändamål, hjälpte JWST oss att fastställa att svaga små röda prickar - som finns mycket långt borta i universums avlägsna förflutna - är små versioner av extremt massiva svarta hål. Dessa speciella föremål kan förändra hur vi tänk på uppkomsten av svarta hål", säger Matthee, biträdande professor vid Institute of Science and Technology Österrike (ISTA), och huvudförfattare till studien.
"De nuvarande fynden kan föra oss ett steg närmare att besvara ett av de största dilemman inom astronomi:Enligt de nuvarande modellerna har några supermassiva svarta hål i det tidiga universum helt enkelt vuxit "för snabbt." Hur bildades de då?"
Forskare hade länge betraktat svarta hål som en matematisk kuriosa, tills deras existens blev allt tydligare. Dessa märkliga kosmiska bottenlösa gropar kunde ha så kompakta massor och starka gravitationer att ingenting kan undgå deras attraktionskraft; de suger in vad som helst, inklusive kosmiskt stoft, planeter och stjärnor, och deformerar utrymmet och tiden runt dem så att inte ens ljus kan fly.
Den allmänna relativitetsteorin, publicerad av Albert Einstein för över ett sekel sedan, förutspådde att svarta hål kunde ha vilken massa som helst. Några av de mest spännande svarta hålen är de supermassiva svarta hålen (SMBH), som kan nå miljoner till miljarder gånger solens massa. Astrofysiker är överens om att det finns en SMBH i mitten av nästan varje stor galax. Beviset på att Sagittarius A* är en SMBH i mitten av vår galax med över fyra miljoner gånger solens massa, fick 2020 års Nobelpris i fysik.
Men alla SMBH:er är inte likadana. Medan Skytten A* kan jämföras med en sovande vulkan, växer vissa SMBH:er extremt snabbt genom att uppsluka astronomiska mängder materia. Därmed blir de så lysande att de kan observeras fram till kanten av det ständigt expanderande universum. Dessa SMBH kallas kvasarer och är bland de ljusaste objekten i universum.
"Ett problem med kvasarer är att en del av dem verkar vara alltför massiva, för massiva med tanke på universums ålder då kvasarerna observeras. Vi kallar dem de "problematiska kvasarerna", säger Matthee.
"Om vi betänker att kvasarer härstammar från explosioner av massiva stjärnor – och att vi känner till deras maximala tillväxthastighet från fysikens allmänna lagar, så ser vissa av dem ut som om de har vuxit snabbare än vad som är möjligt. Det är som att titta på ett femårigt -gammalt barn som är två meter högt. Något stämmer inte, förklarar han.
Kan SMBH kanske växa ännu snabbare än vi ursprungligen trodde? Eller bildas de olika?
Nu identifierar Matthee och hans kollegor en population av objekt som visas som små röda prickar i JWST-bilder. De visar också att dessa objekt är SMBH, men inte alltför massiva.
Centralt för att fastställa att dessa objekt är SMBHs var detekteringen av Hα-spektrala emissionslinjer med breda linjeprofiler. Hα-linjer är spektrallinjer i det djupröda området av synligt ljus som emitteras när väteatomer värms upp. Spektrans bredd spårar gasens rörelse.
"Ju bredare basen av Hα-linjerna är, desto högre är gashastigheten. Således säger dessa spektra oss att vi tittar på ett mycket litet gasmoln som rör sig extremt snabbt och kretsar kring något väldigt massivt som en SMBH", säger Matthee.
De små röda prickarna är dock inte de gigantiska kosmiska monster som finns i alltför massiva SMBHs.
"Medan de "problematiska kvasarerna" är blå, extremt ljusa och når miljarder gånger solens massa, är de små röda prickarna mer som "baby-quasars." Deras massor ligger mellan tio och hundra miljoner solmassor. De ser också röda ut eftersom dammet skymmer de svarta hålen och gör färgerna röda, säger Matthee
Men så småningom kommer utflödet av gas från de svarta hålen att punktera dammkokongen, och jättar kommer att utvecklas från dessa små röda prickar. Således föreslår ISTA-astrofysikern och hans team att de små röda prickarna är små, röda versioner av gigantiska blå SMBHs i den fas som föregår de problematiska kvasarerna.
"Att studera babyversioner av de alltför massiva SMBHs mer i detalj kommer att göra det möjligt för oss att bättre förstå hur problematiska kvasarer uppstår," förklarar Matthee.
Matthee och hans team kunde hitta baby-quasarerna tack vare datamängder som förvärvats av EIGER (Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization) och FRESCO (First Reionization Epoch Spectroscopically Complete Observations) samarbeten. Dessa är ett stort och ett medelstort JWST-program där Matthee var involverad. Förra december, Physics World tidningen listade EIGER bland årets 10 bästa genombrott för 2023.
"EIGER designades för att specifikt studera de sällsynta blå supermassiva kvasarerna och deras miljöer. Den var inte designad för att hitta de små röda prickarna. Men vi hittade dem av en slump i samma datauppsättning. Detta beror på att genom att använda JWST:s Near Infrared Camera, EIGER förvärvar emissionsspektra för alla objekt i universum, säger Matthee. "Om du höjer pekfingret och sträcker ut armen helt, motsvarar området på natthimlen vi utforskade ungefär en tjugondel av nagelns yta. Hittills har vi förmodligen bara skrapat ytan."
Matthee är övertygad om att denna studie kommer att öppna upp många vägar och hjälpa till att svara på några av de stora frågorna om universum.
"Svarta hål och SMBHs är möjligen de mest intressanta sakerna i universum. Det är svårt att förklara varför de finns där, men de finns där. Vi hoppas att detta arbete kommer att hjälpa oss att lyfta en av de största mysternas slöjor om universum." avslutar han.
Mer information: Little Red Dots:An Abundant Population of Faint Active Galactic Nuclei (AGN) vid z ~ 5 avslöjad av EIGER och FRESCO JWST Surveys, The Astrophysical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-4357/ad2345
Journalinformation: Astrofysisk tidskrift , Physics World
Tillhandahålls av Institute of Science and Technology Österrike
