Svemirski teleskop Džejms Veb (JWST) zavirio je u rani Univerzum i napravio fotografije beba koje nikada nismo očekivali da ćemo videti. Samo nekoliko stotina miliona godina nakon Velikog praska, astronomi su pronašli šokantno veliki broj masivnih galaksija – sa otprilike istim brojem zvezda kao Mlečni put danas. Dobili su nadimak „Razarači univerzuma“ jer naši modeli nisu predvideli toliko toga, tako rano. Galaksijama je potrebna tamna materija da bi ih držala na okupu, ali ako se tamna materija ponaša onako kako mislimo, onda ne bi bilo dovoljno oreola tamne materije za sve masivne galaksije da žive u njima. Samo nekoliko meseci nakon što smo počeli da posmatramo našim novim teleskopom, činilo se kao da se sve što smo mislili da znamo o prirodi Univerzuma (možda) dovodi u pitanje.
JWST je novi teleskop i nešto čini da ove galaksije izgledaju masivnije nego što jesu. Pre nego što počnemo da analiziramo Univerzum, trebalo bi da potražimo jednostavnije objašnjenje. Kada sam prvi put čuo za galaksije, pretpostavio sam da su neka vrsta greške u kalibraciji teleskopa. To se ispostavilo kao potpuno pogrešno, kao i većina mojih dosadašnjih pretpostavki.
Istina je da još uvek nismo 100% sigurni šta se dešava. Od tada, moje kolege i ja smo ove enigmatične rane galaksije nazvali „male crvene tačke“, tako nazvane zato što su veoma kompaktni i svetli izvori – i većina njihove svetlosti stiže na talasnim dužinama koje naše oko doživljava kao crvene. Takođe su drugačije od bilo koje galaksije koju smo ranije videli. Svaki put kada pomislimo da razumemo šta posmatramo, novi uvid stvara dodatnu zabunu. Dakle, da li male crvene tačke zaista prekidaju Univerzum ili postoji neko drugo objašnjenje?
Prvih milijardu godina kosmičke istorije bilo je veoma aktivno vreme u rastu galaksija. Astronomi su otkrili galaksije već 300 miliona godina nakon Velikog praska, i u ovoj epohi aktivno tražimo znake netaknutih zvezda bez metala i znake formiranja prvih crnih rupa. Međutim, pošto je od Velikog praska prošlo tako ograničeno vreme, većina galaksija viđenih do danas bila je prilično mala, sa daleko manje zvezda nego Mlečni put. Stoga, kada su astrofizičar Ivo Labe i kolege otkrili da je mladi Univerzum možda zapravo bio naseljen crvenim masivnim galaksijama, to je izazvalo veliku uzbunu i u naučnim krugovima i u medijima.
Labe me je pozvao. Sada je imao više informacija o jednom od objekata; saznao je da se sastoje od veoma brzog gasa koji se obično vidi kako se vrtloži u gravitacionom potencijalu supermasivne crne rupe. Dakle, pomislio je, možda objekti nisu bile supermasivne galaksije, već nova vrsta akrecione crne rupe. Da li sam mislio da je to zanimljivo?
......
Labe me je pozvao jer sam celu karijeru proveo pokušavajući da razumem kako se supermasivne crne rupe prvo formiraju i kako rastu pored galaksija. Kao lovac na crne rupe, postoji nekoliko alata koje obično koristim. Svi se oslanjaju na posmatranje emisije materijala dok pada u rastuću crnu rupu, rasipajući sopstvenu energiju i ugaoni moment i formirajući „akrecioni disk“. Tipični akrecioni diskovi oko supermasivnih crnih rupa proizvode obilnu svetlost visoke energije, u UV do rendgenskim talasnim dužinama. Ovo ih razlikuje od tipičnih galaksija. Jedini problem je što UV zračenje lako apsorbuje čak i mala količina kosmičke prašine, pa astronomi takođe moraju da traže akrecione crne rupe sa rendgenskom emisijom da bi dobili kompletnu listu.
U svojoj pretrazi takođe tražim gas veoma velike brzine, koji se kreće pod intenzivnom gravitacijom crne rupe. U normalnim galaksijama, gas se kreće brzinom od 100-300 km/s. Ali ako je gas blizu crne rupe, uobičajeno je videti brzine od 2.000-4.000 km/s. Stoga, kada su Dejl Kocevski i kolege objavili preprint rad sa zapažanjima gasa velike brzine oko malih crvenih tačaka, to je bila velika stvar. Sugerisano je da vidimo svetlost iz rastuće crne rupe, a ne iz preterano masivnih galaksija koje „lome prostor“. Ipak, bili smo zbunjeni. Nikada ranije nismo videli crne rupe kako ovako rastu.
Pre lansiranja JWST-a, postojala je drugačija misterija oko rastućih crnih rupa: nismo ih pronalazili dovoljno. Kasnije obično otkrivamo da oko 10 procenata galaksija pokazuje znake rastućih crnih rupa u svojim jezgrima, ali taj procenat izgleda da je pao na delić procenta u prvih milijardu godina kosmičkog vremena. Ovo je posebno zbunjujuće jer verujemo da su sve supermasivne crne rupe formirane kao „seme“ u prvih milijardu godina kosmičkog vremena. Glavni cilj JWST-a bio je pronalaženje direktnih dokaza o rastućim crnim rupama kao semenu.
Male crvene tačke pojavile su se na ovoj zbunjujućoj slici. Za razliku od rastućih crnih rupa poznatih u to vreme, male crvene tačke su bile izuzetno česte: tri do četiri od svakih 100 galaksija izgledaju kao jedna. Pretpostavili smo da su to verovatno crne rupe iz dva razloga. Prvi je da su veoma kompaktne. Karakteristika rastućih crnih rupa je da su izuzetno guste, pa je emisija prirodno izuzetno kompaktna u poređenju sa zvezdama. Drugi razlog je taj brzi gas o kome me je Labe pozvao.
Ako smo u pravu i ako brzokretni gas koji sveprisutno vidimo u malim crvenim tačkama potiče od kretanja oko masivne crne rupe, onda su implikacije ogromne. Izgleda kao da prelazimo sa premalog broja crnih rupa u poređenju sa galaksijama na odjednom previše crnih rupa! Ako bismo zaista mogli da ubedimo sebe da su male crvene tačke indikatori rastućih crnih rupa, onda bi nas mogle naučiti nečemu važnom o formiranju supermasivnih crnih rupa.
Ova oblast se brzo razvija. Labe me je pozvao da mi pokaže potpis brzog gasa u decembru 2022. Do juna 2023. objavili smo preliminarnu verziju našeg prvog rada, zajedno tvrdeći da male crvene tačke najverovatnije razvijaju crne rupe, a otprilike u isto vreme moje kolege Žorit Mati, Rohan Naidu i drugi skovali su termin „male crvene tačke“. Ali drugi istraživači, uključujući Pabla Pereza-Gonzalesa i Giljerma Bara, bili su manje sigurni. Pretpostavili su da male crvene tačke mogu biti uzrokovane formiranjem zvezda, pri čemu crvena boja zbog prašine preferencijalno uklanja plavu svetlost od mladih zvezda u formiranju, ostavljajući samo crvenu svetlost.
Naša ideja koja povezuje kompaktne veličine i brzo krećući gas sa rastućim crnim rupama gotovo odmah je dovedena u pitanje sa dva zapažanja 2024. godine. Grupa istraživača na MIT-u, predvođena Minghao Jueom, jedva je detektovala veoma slab signal poznatih malih crvenih tačaka sa izuzetno dubokim rendgenskim podacima, koje su obično obeležje rastućih crnih rupa. U isto vreme, Kristina Vilijams i njen tim tražili su još jedan jedinstveni potpis: emisiju iz veoma vruće prašine koja se toliko zagreva samo kada je blizu aktivno rastuće crne rupe. U osnovi, nijedna mala crvena tačka ne pokazuje ovu vruću prašinu.
Možda je onda crvena boja u maloj crvenoj tački zato što su zvezde stare - starije zvezde su crvene. Otprilike u to vreme, Džozefina Bagen i kolege su postavile hipotezu da bi Male crvene tačke mogle biti veoma kompaktne i rano formirajuće galaksije - drugim rečima, vratile su se hipotezi o preterano masivnoj galaksiji. Možda je kompaktna veličina značila da su najranije galaksije formirale neverovatan broj zvezda u veoma maloj zapremini, i one su bukvalno najgušće galaksije koje smo ikada posmatrali. Možda je priča o raspadu univerzuma ipak bila tačna?
Zaista, i dalje se činilo kao da smo pogrešno shvatili priču. Ako su male crvene tačke hranile crne rupe od 10 do 100 miliona sunaca, kao što smo mi i drugi sugerisali, onda bismo, pošto su tako česte, prešli sa premalog broja na previše supermasivnih crnih rupa u ranim vremenima. Štaviše, ove crne rupe bi činile nekoliko procenata mase galaksije (za razliku od 0,1 procenta danas). S druge strane, ako bi ih hranile galaksije, to bi bile najgušće poznate galaksije. Kako su sve mogle da nestanu samo milijardu godina nakon Velikog praska?
Dva značajna događaja prevagnula su u korist akrecije crnih rupa. Prvo je došlo do otkrića dva ekstremna objekta, „Klif“ i „MoM-BH*-1“. Ove dve ekstremno male crvene tačke pružile su veoma jak argument da se oblik spektra ne može zaista uporediti sa sjajem bilo koje zvezde. Drugo, tražili smo dokaze o emisiji prašine, ali nismo pronašli nijedan. Ako je crvena boja u malim crvenim mrljama posledica crvenila, onda bismo trebalo da budemo u mogućnosti da detektujemo prašinu u emisiji pomoću teleskopa poput Atakama Velikog milimetarskog niza (ALMA) u Čileu. Međutim, kada smo dobili lepa, duboka ALMA posmatranja nekih od najsjajnijih poznatih Malih crvenih mrlja, nismo ništa detektovali. Ako je tamo bilo mnogo zvezda, bilo bi potrebno obilje prašine da bi se objasnio spektar koji posmatramo, a tu prašinu isključujemo.
Ali i dalje postoje problemi. Još uvek nemamo potpuno objašnjenje za crvenu boju ako prašina nije krivac. Štaviše, postoji toliko mnogo malih crvenih tačaka da ako ih objasnimo kao akrecione crne rupe sa masom od 100 miliona sunca, onda stvaramo previše mase crnih rupa u prvih milijardu godina kosmičkog vremena. Ne samo to, već prostorna raspodela malih crvenih tačaka u odnosu na druge galaksije sugeriše da su to zaista male galaksije koje žive u malim oreolima tamne materije.
Poslednjih meseci, dobar deo zajednice se ujedinio oko ideje da postoji akreciona crna rupa koja napaja sićušne crvene tačke, ali da crne rupe rastu tako brzo da se oko njih formira čaura gustog gasa. Ova slika može objasniti zašto vidimo crvenu boju jer je gas toliko gust da apsorbuje UV fotone bez potrebe za prašinom. Implikacija slike čaure je da su crne rupe zapravo mnogo slabije - pretpostavili smo da je mnogo snage skriveno prašinom koje jednostavno nema. U tom slučaju, iako smo prvobitno mislili da male crvene tačke kriju crne rupe veličine 100 miliona Sunaca, one mogu biti mnogo manje, možda čak predstavljajući završne faze formiranja semena.
Nalazimo se u zanimljivom trenutku, nakon tri intenzivne godine kontinuiranih iznenađenja i preokreta u našem razumevanju. Da li imamo radni model? Da li prelazimo iz faze sirovog otkrića, gde svako novo posmatranje donosi nove uvide, u fazu karakterizacije, gde fino podešavamo model? Ovo je bila tema intenzivne debate među mojim saradnicima dok smo kreirali predloge za posmatranje za sledeći ciklus sa JWST-om. S jedne strane, konkretan skup očekivanja od određenog modela nam omogućava da predložimo precizne eksperimente. S druge strane, da li rizikujemo da propustimo važne tragove zatvarajući svoje umove za širi spektar mogućih objašnjenja? Takođe, da li smo povukli širu zajednicu sa sobom, ili su mnogi i dalje skeptični da male crvene tačke čak pokreću rastuće crne rupe?
Ne bi bio prvi put da su se takve dileme pojavile u astronomiji i fizici - niti bi bio prvi put da smo pogrešno skrenuli na putu ka istini. Čitali smo radove iz ranih 1960-ih, kada su astronomi pokušavali da razumeju prirodu takozvanih kvazizvezdanih objekata. Sada znamo da ih pokreću akrecione crne rupe, ali u tim ranim danima razmatrane su mnoge druge mogućnosti, uključujući veoma kompaktno formiranje zvezda ili egzotične tipove zvezda, prilično slične mogućnostima koje sada razmatramo da bismo razumeli Malu crvenu tačku. U ovom slučaju, postignut je konsenzus kako je sve više i više zapažanja, poput varijabilnosti, podržavalo veoma kompaktnu prirodu izvora energije. Konačno, priča je potpuno rešena 1990-ih kada je Hablov svemirski teleskop pružio ubedljive dokaze o supermasivnim crnim rupama na osnovu kretanja zvezda u centrima obližnjih galaksija. Isto tako, sumnjam da naša priča neće biti potpuna dok ne budemo mogli da utvrdimo stvarnu masu malih crvenih tačaka, uključujući i crnu rupu ako je tamo.
Da li je naše razumevanje Univerzuma iskrivljeno? Ako sve male crvene tačke pokreću izuzetno kompaktne galaksije, onda imamo problem: previše velikih galaksija i premalo oreola tamne materije da bi se smestile. Ako male crvene tačke pokreću masivne crne rupe, onda se crne rupe formiraju prebrzo i prerastaju svoje galaksije. Moja najbolja pretpostavka danas je da su male crvene tačke seme današnjih većih crnih rupa, zaklonjenih oblacima vrtložnog gasa koji ih čine moćnijim nego što zaista jesu. Ako su to male galaksije sa malim crnim rupama, onda one ne razbijaju Univerzum jer postoji mnogo slabih oreola tamne materije dostupnih da ih smeste. Ne stvaramo previše crnih rupa, ali vidimo rane faze njihovog rasta.
........Univerzum nije slomljen, već je mnogo zanimljivije mesto nego što smo mislili pre nekoliko godina. I, možda, JWST nas približava snimanju male fotografije supermasivne crne rupe o kojoj sam sanjao cele karijere.
To je moja trenutna najbolja pretpostavka. Ali i ranije sam grešio.
Коментари
Постави коментар