6 Minute
Astronomii au confirmat existența celei mai îndepărtate și timpurii găuri negre supermasive identificate până în prezent, încorporată într-o galaxie compactă și roșie, catalogată drept CAPERS-LRD-z9. Observațiile indică faptul că această gaură neagră centrală avea deja o masă de aproximativ 300 de milioane de ori mai mare decât cea a Soarelui atunci când Universul avea doar 500 de milioane de ani – adică circa 3% din vârsta sa actuală. Această descoperire extinde frontierele observaționale ale găurilor negre masive până la zorii cosmici și oferă o explicație fizică plauzibilă pentru o populație enigmatică de obiecte descoperite recent de Telescopul Spațial James Webb (JWST).
Gaura neagră din CAPERS-LRD-z9 funcționează ca un nucleu galactic activ (AGN), adică o gaură neagră ce acumulează rapid gaz și produce radiații intense. Deoarece regiunea de acreție este învăluită în praf și gaz intens încălzit, obiectul apare foarte roșu în imaginile JWST din infraroșu, potrivindu-se cu aspectul vizual al așa-numitelor Little Red Dots (LRDs) care i-au intrigat pe cercetători încă de la primele observații JWST.
Spectroscopia a oferit dovada decisivă pentru identificarea acestei găuri negre. Prin dispersia luminii într-un spectru, astronomii au măsurat deplasări Doppler în liniile de emisie produse de gazul din apropierea nucleului. Acest gaz se mișcă cu viteze extraordinare – aproximativ 3.000 kilometri pe secundă, adică 1% din viteza luminii – ceea ce indică o forță gravitațională uriașă, tipică găurilor negre supermasive. Astfel de profile largi ale liniilor de emisie sunt greu de generat prin alte procese astrofizice, ceea ce face ca spectroscopia să fie un instrument esențial în identificarea AGN-urilor din Universul timpuriu.
Anthony Taylor, autor principal și astrofizician la Universitatea Texas din Austin, subliniază că semnătura spectrală este distinctivă, iar această confirmare reprezintă limita practică actuală a observațiilor pentru căutarea găurilor negre la redshift mare. Sensibilitatea în infraroșu a JWST este vitală, deoarece lumina provenită din zorii cosmici este întinsă spre infraroșu de expansiunea Universului, permițând detectarea și caracterizarea unor surse invizibile anterior.
Little Red Dots (LRDs) au apărut ca o nouă clasă de obiecte în urma imaginilor adânci JWST: surse neobișnuit de luminoase, compacte și foarte roșii, ce apar la epoci corespunzătoare la aproximativ 600 de milioane de ani după Big Bang și care dispar aproape complet până la un miliard de ani. Confirmarea spectroscopică a unui AGN în CAPERS-LRD-z9 susține ideea că multe LRD-uri sunt galaxii dominate de găuri negre supermasive acoperite de praf, aflate într-o creștere rapidă.
Masa estimată a găurii negre din CAPERS-LRD-z9 este remarcabilă atât în termeni absoluți, cât și în raport cu galaxia gazdă. La circa 300 de milioane de mase solare, gaura neagră ar putea reprezenta o fracțiune considerabilă – posibil chiar jumătate – din masa totală stelară a galaxiei. Prin comparație, în Universul apropiat, găurile negre supermasive reprezintă de obicei doar 0,1% din masa stelară a galaxiei gazdă. Aceste proporții neobișnuite sugerează că în universul timpuriu galaxiile au urmat o cale de co-evoluție diferită, unde creșterea găurii negre putea depăși temporar formarea stelelor.
Galaxia CAPERS-LRD-z9 este extrem de compactă. Chiar și cu rezoluția infraroșie a JWST, obiectul rămâne nerezolvat și pare să nu depășească 1.140 de ani-lumină în diametru, încadrându-se în intervalul tipic galaxiilor pitice, nu al celor spiralate mature.
Cum ar fi putut să se formeze o gaură neagră atât de masivă atât de devreme? Cercetătorii iau în calcul două scenarii principale de creștere, pornind de la „semințe” de găuri negre. Dacă sămânța era deja masivă – în jur de 10.000 de mase solare – atunci o acreție susținută la limita Eddington ar putea explica masa observată în 500 de milioane de ani. Alternativ, o sămânță mai mică (aproximativ 100 de mase solare) ar fi putut crește prin episoade foarte scurte de acreție super-Eddington, cu o eficiență radiativă redusă, ajutată eventual de o anvelopă densă de gaz care blochează radiația.
Originea acestor semințe masive ar putea fi legată de găuri negre primordiale formate la începutul universului, colapsul direct al unor nori masivi de gaz, coliziuni stelare din roiuri dense sau rămășițele stelelor de Populație III – primele stele fără metale. Pentru a distinge între aceste scenarii, vor fi necesare mostre statistice de AGN timpurii și constrângeri mai stricte asupra galaxiilor gazdă.
Această descoperire demonstrează capacitatea JWST de a investiga evoluția găurilor negre supermasive în zorii universului și de a lega aceste structuri de populația emergentă de LRD-uri. Totuși, rezultatul subliniază și limitele tehnologice: dincolo de această zonă de redshift, detectarea și confirmarea găurilor negre devine tot mai dificilă cu instrumentele actuale. Taylor precizează că aceste observații împing la limită abilitățile tehnologice prezente, astfel că progresul va depinde de creșterea sensibilității, rezoluției spectrale și extinderea aria de sondaj pentru detecția AGN-urilor timpurii.
Viitoarele programe JWST, alături de facilități de generație viitoare precum Extremely Large Telescope (ELT) și misiunile X-ray planificate, vor ajuta la cartografierea frecvenței apariției găurilor negre supramasive în primul miliard de ani și la stabilirea dacă fazele de tip LRD reprezintă o etapă de tranziție în formarea galaxiilor. Înțelegerea acestei relații este esențială pentru a reconstrui modul în care galaxiile obișnuite – inclusiv Calea Lactee – și-au dobândit masa stelară concomitent cu dezvoltarea găurilor negre centrale.
Confirmarea spectroscopică a unei găuri negre de circa 300 de milioane de mase solare în CAPERS-LRD-z9 extinde populația cunoscută de găuri negre supermasive spre zorii cosmici și oferă o explicație pentru Little Red Dots observate de JWST. Masa extremă a acestei găuri negre și gazda sa compactă sugerează o creștere rapidă, timpurie a acestor obiecte, care poate domina balanța masei galaxiilor, fapt ce provoacă modelele convenționale de co-evoluție gaură neagră-galaxie. Continuarea observărilor spectroscopice în infraroșu și a sondajelor largi va fi esențială pentru a stabili dacă CAPERS-LRD-z9 este o excepție sau reprezintă o etapă comună, dar scurtă, din primele miliard de ani ai Universului.
Sursa: iopscience.iop
Comentarii