Kosmiczne potwory uchwycone w przełomowej fazie. Zdradził je pył
Astronomowie znaleźli 77 ukrytych kwazarów zasłoniętych pyłem.
Astronomowie znaleźli właśnie aż 77 ukrytych kwazarów, które mogą pokazywać jeden z najkrótszych i najbardziej gwałtownych etapów życia galaktyk. To moment, w którym supermasywna czarna dziura rośnie wyjątkowo szybko, ale jednocześnie zaczyna wypychać z otoczenia pył i gaz. Właśnie ten pył, zamiast tylko przeszkadzać w obserwacjach, stał się dla badaczy najważniejszą wskazówką.
Te czarne dziury świecą mocniej, niż całe galaktyki
W centrum większości dużych galaktyk znajduje się supermasywna czarna dziura. Ona sama nie świeci, bo z obszaru za jej horyzontem zdarzeń nie wydostaje się światło. Gdy jednak zaczyna pochłaniać gaz, pył i inną materię, jej otoczenie może stać się jednym z najjaśniejszych miejsc we Wszechświecie.
Właśnie tak powstaje kwazar. To aktywne jądro galaktyki zasilane przez supermasywną czarną dziurę. Materia, zanim zniknie w czarnej dziurze, tworzy gorący dysk akrecyjny, czyli wirujący pierścień rozgrzanej materii. W tym dysku tarcie, ciśnienie i potężna grawitacja zamieniają energię w promieniowanie. Efekt bywa ekstremalny, bo pojedynczy kwazar może przyćmiewać całą swoją galaktykę.
Problem w tym, że nie wszystkie kwazary da się łatwo zobaczyć. Część z nich jest ukryta w gęstych obłokach pyłu. Ten działa trochę jak kosmiczna zasłona, bo pochłania i rozprasza światło, szczególnie w zakresie widzialnym. Obiekt nie znika, ale zmienia kolor i staje się znacznie trudniejszy do wykrycia klasycznymi metodami.
To dlatego astronomowie mówią o silnie poczerwienionych kwazarach. Nie chodzi o to, że są czerwone w zwykłym sensie. Ich światło zostało zmienione przez pył, który osłabia krótsze, bardziej niebieskie długości fal, a przepuszcza więcej światła o dłuższych falach. W rezultacie taki kwazar wygląda na znacznie bardziej czerwony, niż byłby bez zasłony z pyłu.
77 ukrytych obiektów i nowa mapa kosmicznych potworów
Nowe badanie przeprowadził zespół kierowany przez Matthew Stepneya, astrofizyka związanego z chilijskim ośrodkiem CATA. W pracy uczestniczyli również Manda Banerji, Franz E. Bauer, Roberto J. Assef i Guodong Li. Badacze wykorzystali dane z misji SPHEREx, czyli kosmicznego teleskopu, który wykonuje przegląd całego nieba w wielu zakresach światła, ze szczególnym naciskiem na podczerwień.
W tym wszystkim kluczowa jest właśnie ta podczerwień. Jest to światło o długościach fal większych niż widzialna czerwień, niewidoczne dla ludzkiego oka, ale niezwykle przydatne w astronomii. Pył, który przeszkadza w obserwacjach optycznych, często daje się lepiej obejść właśnie dzięki pomiarom w podczerwieni. Można wtedy dostrzec obiekty, które dla zwykłych przeglądów nieba są zbyt przygaszone albo zbyt mocno zasłonięte.
W ten sposób zespół potwierdził 77 nowych silnie poczerwienionych kwazarów. To ważne, bo wcześniej takich obiektów potwierdzono znacznie mniej, a ich szukanie było żmudne. Astronomowie często musieli namierzać kandydatów pojedynczo, korzystając z czasochłonnych obserwacji wykonywanych wyspecjalizowanymi teleskopami. SPHEREx pozwala podejść do sprawy szerzej, bo dostarcza danych z ogromnych obszarów nieba.
Nowe obiekty pochodzą z epoki, gdy Wszechświat miał od ok. 1,6 mld do 4,3 mld lat. Dziś ma ok. 13,8 mld lat, więc astronomowie patrzą tutaj głęboko w przeszłość. Wśród odkrytych obiektów znalazło się też 7 kwazarów o przesunięciu ku czerwieni większym niż 3, czyli z okresu wcześniejszego niż ok. 2,1 mld lat po Wielkim Wybuchu.
Przesunięcie ku czerwieni to jeden z najważniejszych parametrów w kosmologii. Im dalej znajduje się obiekt, tym bardziej jego światło zostaje rozciągnięte przez rozszerzanie się Wszechświata. Dla astronomów jest to rodzaj kosmicznego znacznika odległości i czasu. W uproszczeniu, im większe przesunięcie ku czerwieni, tym wcześniejszy etap historii Wszechświata oglądamy.
Pył nie tylko zasłania. On opowiada historię galaktyki
Istotą odkrycia nie jest samo zwiększenie katalogu o 77 obiektów, lecz implikacje dla zrozumienia ewolucji galaktyk. Zgodnie z dominującym scenariuszem, silnie poczerwienione kwazary reprezentują krótki, intensywny etap fuzji galaktyk, w trakcie którego dochodzi do gwałtownego napływu materii na centralną czarną dziurę.
Gdy dwie galaktyki się zderzają, nie wygląda to jak kolizja dwóch twardych przedmiotów. Gwiazdy są od siebie tak daleko, że rzadko wpadają bezpośrednio na siebie. Prawdziwe zamieszanie dzieje się w gazie i pyle. Ogromne ilości materii mogą zacząć spływać do centrum powstającego układu. To jednocześnie napędza intensywne powstawanie nowych gwiazd i karmi centralną czarną dziurę.
W takim scenariuszu galaktyka przechodzi przez etap chaosu. Centrum jest pełne pyłu, gazu, nowych gwiazd i materii spadającej w stronę czarnej dziury. Kwazar już świeci potężnie, ale jego światło nie wydostaje się swobodnie. Jest przetwarzane, pochłaniane i rozpraszane przez otaczający materiał.
Tego typu obiekty mogą być brakującym ogniwem między galaktykami głęboko zakopanymi w pyle a klasycznymi, niebieskimi kwazarami, których centrum zostało już odsłonięte. Innymi słowy, astronomowie mogli uchwycić etap przejściowy, a nie stabilny typ obiektu trwający przez większość życia galaktyki.
Kwazary zaczęły sprzątać własne otoczenie
Badacze w swojej pracy zwracają uwagę na szczególną kombinację cech. Po skorygowaniu wpływu pyłu nowe kwazary okazują się bardzo jasne same w sobie. Jednocześnie mają mniej gorącego pyłu w pobliżu czarnej dziury, niż można by oczekiwać po porównaniu z innymi populacjami kwazarów.
Wokół aktywnej czarnej dziury zwykle znajduje się struktura z pyłu i gazu, często opisywana jako torus. Ten nie jest idealnie geometryczny, ale pomaga wyobrazić sobie gęsty, pyłowy obszar otaczający centralne źródło energii. Gdy pył jest ogrzewany przez kwazar, świeci w podczerwieni. Jeśli tej emisji jest mniej, może to oznaczać, że część pyłu została już usunięta albo zniszczona.
Tu pojawia się pojęcie fazy blow-out. Można ją rozumieć jako etap wydmuchiwania zasłony z centrum galaktyki. Aktywnie rosnąca czarna dziura nie tylko pożera materię, lecz także oddziałuje na otoczenie. Promieniowanie, wiatry i wypływy gazu mogą wypychać materiał z centralnych regionów. To zjawisko nazywa się sprzężeniem zwrotnym, bo czarna dziura wpływa na galaktykę, która wcześniej dostarczała jej paliwa.
Odkryte kwazary są najprawdopodobniej uchwycone w momencie kosmicznego sprzątania. Pył nadal zasłania część światła, ale centralne regiony zaczynają się odsłaniać. Czarna dziura świeci z ogromną mocą i jednocześnie ogranicza dopływ materii, który wcześniej pozwalał jej rosnąć.
Obraz komplikuje nadmiar ultrafioletu
W około 3/4 badanej próbki astronomowie zauważyli także nadmiar promieniowania ultrafioletowego. Ma ono krótsze długości fal niż światło widzialne i jest szczególnie wrażliwe na pochłanianie przez pył.
Jedno wyjaśnienie zakłada, że to światło samego kwazara, które nie dociera do nas bezpośrednio, lecz rozprasza się na obrzeżach pyłowej struktury. Można to porównać do sytuacji, w której nie widzimy lampy za zasłoną, ale dostrzegamy poświatę odbitą od ścian. W skali galaktyki taką rolę mogą odgrywać rzadsze obszary gazu i pyłu.
Drugi możliwy wkład pochodzi z gwiazd. Jeśli zderzenie galaktyk doprowadziło do intensywnego powstawania nowych gwiazd, młode, gorące gwiazdy również mogą świecić mocno w ultrafiolecie. W niektórych przypadkach ich wkład może być znaczący, a nawet dominujący.
To może być klucz do epoki kosmicznego południa
Odkrycie jest szczególnie ważne dlatego, że dotyczy okresu nazywanego Kosmicznym Południem. To nie jest południe w sensie godziny na zegarze. Chodzi o szczyt aktywności galaktyk, epokę, w której Wszechświat pracował na pełnych obrotach: produkował gwiazdy znacznie intensywniej niż dziś, a supermasywne czarne dziury rosły w zawrotnym tempie. To był gorący czas dla kosmosu, dosłownie i w przenośni.
Właśnie wtedy galaktyki rosły najgwałtowniej, częściej się zderzały i szybciej budowały swoje centralne czarne dziury. Jeśli silnie poczerwienione kwazary rzeczywiście reprezentują krótką fazę przejściową, mogą pomóc zrozumieć, jak czarne dziury przestają być tylko pasażerami w galaktykach, a zaczynają wpływać na ich dalszy rozwój.
Przeczytaj także:
Dlaczego największe galaktyki nie tworzą gwiazd bez końca? Skoro mają potężne zasoby materii, powinny teoretycznie nadal produkować nowe generacje gwiazd. Tymczasem wiele masywnych galaktyk z czasem wyhamowuje. Jednym z wyjaśnień jest właśnie aktywność centralnej czarnej dziury, która podgrzewa, rozprasza albo wypycha gaz potrzebny do narodzin gwiazd.
