Od długiego czasu naukowcy sądzili, że najprawdopodobniej najpierw powstają galaktyki, a później formują się w nich czarne dziury.

Masywne gwiazdy w istniejącej galaktyce mają zużywać swoje paliwo i zapadać się, tworząc czarne dziury, które mogą pochłaniać otaczającą materię i z czasem łączyć się ze sobą, tworząc coraz bardziej masywne obiekty. Jednak trudno jest wyjaśnić, jak czarne dziury o masach od milionów do miliardów razy większych od masy Słońca mogły tak szybko urosnąć z tak niewielkich „zarodków”.

Takich supermasywnych czarnych dziur wykryto tysiące już we wczesnym Wszechświecie.

Nowe badanie, przeprowadzone przez zespół z University of Cambridge i innych ośrodków z różnych krajów, wskazuje na to, że niektóre supermasywne czarne dziury były ogromne od samego początku i powstały bez etapu zapadania się gwiazdy i bez znacznie masywniejszej, „karmiącej” je galaktyki macierzystej.

„To niezwykłe odkrycie. To zmiana paradygmatu, całkowita rewizja klasycznych scenariuszy powstawania i wzrostu czarnych dziur” – podkreśla Roberto Maiolino z University of Cambridge, współautor prac opublikowanych w magazynie „Nature” oraz „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”.

Wspomniana bardzo mała galaktyka – Abell2744-QSO1 (QSO1), należąca do tzw. Małych Czerwonych Kropek, istniała 700 mln lat po Wielkim Wybuchu. Obserwuje się ją relatywnie łatwo dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu gromady galaktyk Abell 2744, znanej jako Gromada Pandory.

Wstępne badania QSO1 wskazywały, że obiekt ten może być zaledwie obłokiem świecącego wodoru i helu, krążącym wokół supermasywnej czarnej dziury, szacowanej na 40 mln mas Słońca. Jednak, podobnie jak w przypadku innych wczesnych czarnych dziur odkrytych przez Webba, nie było pewności, czy rzeczywiście jest ona aż tak masywna – wyjaśniają specjaliści.

Aby dowiedzieć się czegoś więcej o tajemniczym obiekcie, naukowcy wykorzystali Teleskop Jamesa Webba, aby prześledzić wpływ grawitacji czarnej dziury na wirujący wokół niej gaz i sporządzić mapę rozmieszczenia różnych pierwiastków w tym gazie.

Prędkość rotacji wodoru pozwoliła stwierdzić, że gaz porusza się tzw. ruchem keplerowskim – krąży wokół centralnego punktu w taki sam sposób, w jaki planety w Układzie Słonecznym krążą wokół Słońca. To oznacza, że większość masy QSO1 jest skoncentrowana w czarnej dziurze znajdującej się w centrum. Taki ruch gazu pozwolił z kolei z łatwością obliczyć masę czarnej dziury. Obliczenia wskazały, że dziura jest po pierwsze ogromna (ma masę około 50 mln mas Słońca), a po drugie - stanowi dwie trzecie całkowitej masy QSO1.

Ponadto okazało się, że gaz w całym QSO1 składa się niemal wyłącznie z wodoru i helu, z minimalną ilością cięższych pierwiastków, takich jak tlen, których można by oczekiwać w galaktyce bogatej w gwiazdy i pozostałości gwiazdowe.

Badacze podkreślają, że przy metaliczności mniejszej niż 0,5 proc. metaliczności Słońca QSO1 jest jednym z najbardziej pierwotnych środowisk galaktycznych, jakie kiedykolwiek zmierzono.

„To fenomenalny wynik. To pierwszy bezpośredni pomiar masy czarnej dziury w pierwszym miliardzie lat po Wielkim Wybuchu i jest on zgodny z wcześniejszymi pomiarami” – mówi współautor badania, Cosimo Marconcini z Uniwersytetu we Florencji.

Eksperci tłumaczą, że wyjątkowo duża masa czarnej dziury w stosunku do jej galaktyki macierzystej sugeruje, że obiekt ten nie mógł powstać stopniowo z łączących się dużo mniejszych czarnych dziur o masach gwiazdowych.

„Wygląda na to, że znaleźliśmy czarną dziurę, która nie ma dużej galaktyki macierzystej, i która poprzedzała procesy związane z powstawaniem gwiazd. To bardzo ekscytujące, ponieważ jest to dowód na istnienie pierwotnych czarnych dziur albo czarnych dziur powstałych w wyniku bezpośredniego kolapsu – obiektów przewidywanych teoretycznie, ale dotąd niepotwierdzonych” – podsumowuje Ignas Juodžbalis, także z Uniwersytetu we Florencji.

Badacze widzą dwa sposoby, na jakie niezwykła czarna dziura mogła powstać. Mogła rozwinąć się z ciężkiego zarodka, który powstał w pierwszej sekundzie po Wielkim Wybuchu, albo powstać nieco później wskutek kolapsu olbrzymiego obłoku gazu. Jednak niemal na pewno od początku była duża i obserwowana dzisiaj może znajdować się we wczesnym etapie budowania wokół siebie galaktyki.

Marek Matacz (PAP)

mat/ zan/