Datorită capacităților extrem de îmbunătățite ale telescoapelor de astăzi, astronomii au descoperit mai adânc în cosmos și mai departe în timp. În acest fel, au reușit să abordeze câteva mistere de lungă durată despre cum a evoluat Universul de la Big Bang. Unul dintre aceste mistere este modul în care găurile negre supermasive (SMBHs), care joacă un rol crucial în evoluția galaxiilor, formate în timpul Universului timpuriu.
Folosind foarte mare telescopul ESO (VLT) din Chile, o echipă internațională de astronomi a observat galaxii așa cum au apărut la aproximativ 1,5 miliarde de ani după Big Bang (aproximativ 12,5 miliarde de ani în urmă). În mod surprinzător, au observat rezervoare mari de gaz rece de hidrogen care ar fi putut asigura o sursă de hrană suficientă pentru SMBHs. Aceste rezultate ar putea explica modul în care SMBH-urile au crescut atât de rapid în perioada cunoscută sub numele de Cosmic Dawn.
Echipa a fost condusă de Dr. Emanuele Paolo Farina de la Institutul Max Planck pentru Astronomie (MPIA) și Max Planck Institute for Astrophysics (MPA). I s-au alăturat cercetători atât de la MPIA, cât și de la MPA, Observatorul European Sud (ESO), UC Santa Barbara, Observatorul Astrofizic Arcetri, Observatorul Astrofizicii și Științei Spațiale din Bologna și Institutul Max Planck pentru Fizică Extraterestră (MPEP).
Timp de zeci de ani, astronomii studiază SMBH-urile, care există în nucleul majorității galaxiilor și sunt identificate de nucleele lor galatici activi (AGN). Aceste nuclee, care sunt cunoscute și sub denumirea de quasari, pot emite mai multă energie și lumină decât restul stelelor din galaxia combinată. Până în prezent, cea mai îndepărtată observată este ULAS J1342 + 0928, care se află la 13,1 miliarde de ani lumină.
Având în vedere că se estimează că primele stele s-au format la doar 100.000 de ani după Big Bang (aproximativ 13,8 miliarde de ani în urmă), acest lucru înseamnă că SMBH-urile trebuiau să se formeze rapid de la primele stele pentru a muri. Până acum, însă, astronomii nu au găsit praf și gaz în cantități suficiente în timpul Universului timpuriu pentru a explica această creștere rapidă.
În plus, observații anterioare efectuate cu Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) au relevat faptul că galaxiile timpurii conțineau multă praf și gaz, ceea ce alimenta formarea rapidă a stelelor. Aceste constatări au indicat că nu ar fi rămas mult material pentru a alimenta găurile negre, ceea ce a adâncit doar misterul în care acestea au crescut atât de rapid.
Pentru a rezolva acest lucru, Farina și colegii săi s-au bazat pe datele culese de instrumentul VLT Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) pentru a examina 31 de cvasari la o distanță de aproximativ 12,5 miliarde de ani-lumină (observând astfel cum arătau acum 12,5 miliarde de ani). Acest lucru face ca sondajul lor să fie unul dintre cele mai mari eșantioane de cvasari din această perioadă timpurie a Universului. Ceea ce au găsit au fost 12 nori de hidrogen extinși și surprinzător de densi.
Acești nori de hidrogen au fost identificați prin strălucirea lor caracteristică în lumina UV. Având în vedere distanța și efectul redshift-ului (unde lungimea de undă a luminii este întinsă datorită expansiunii cosmice), telescoapele aflate la pământ percep strălucirea ca lumină roșie. După cum a explicat Farina într-un comunicat de presă al MPIA:
“Cea mai probabilă explicație pentru gazul strălucitor este mecanismul fluorescenței. Hidrogenul transformă radiația bogată în energie a cvasarului în lumină cu o lungime de undă specifică, care este observată de un strălucire.”
Norii de hidrogen răcoros și dens - care au fost de câteva miliarde de ori mai mult decât masa Soarelui - au format halos în jurul galaxiilor timpurii care s-au extins timp de 100.000 de ani lumină de la găurile negre centrale. În mod obișnuit, detectarea unor astfel de nori în jurul quasarilor (care sunt intens strălucitori) este destul de dificilă. Dar, datorită sensibilității instrumentului MUSE - pe care Farina l-a descris drept „un schimbător de jocuri” - echipa le-a găsit destul de repede.
Alyssa Drake, cercetător al MPIA, care a contribuit și la studiu, a declarat:
“Cu studiile actuale, abia acum începem să investigăm modul în care primele găuri negre supermasive au reușit să se dezvolte atât de rapid. Însă instrumente noi precum MUSE și viitorul telescop spațial James Webb ne ajută să rezolvăm aceste puzzle-uri interesante.”
Echipa a descoperit că aceste halouri de gaze erau strâns legate de galaxii, oferind „sursa de hrană” perfectă pentru a susține atât formarea rapidă a stelelor, cât și creșterea găurilor negre supermasive. Aceste observații rezolvă eficient misterul modul în care găurile negre supermasive ar putea exista atât de devreme în istoria Universului. După cum o rezumă Farina:
“Acum suntem capabili să demonstrăm, pentru prima dată, că galaxiile primordiale au suficientă hrană în mediile lor pentru a susține atât creșterea găurilor negre supermasive cât și formarea stelelor viguroase. Acest lucru adaugă o piesă fundamentală puzzle-ului pe care astronomii construiesc pentru a imagina modul în care structurile cosmice s-au format acum mai bine de 12 miliarde de ani.”
În viitor, astronomii vor avea instrumente și mai sofisticate cu care să studieze galaxiile și SMBH-urile din Universul timpuriu, ceea ce ar trebui să dezvăluie și mai multe detalii despre norii antici de gaz. Aceasta include Telescopul extrem de mare (ELT) al ESO, precum și telescoape spațiale, cum ar fi James Webb Space Telescope (JWST).
Studiul care descrie rezultatele echipei a apărut în numărul din 20 decembrie Jurnalul Astrofizic.
