Astronomii au descoperit trei găuri negre supermasive, active și înfometate, într-o singură galaxie aflată la peste 12,5 miliarde de ani lumină distanță de Pământ. Această descoperire, realizată de o echipă internațională de cercetători condusă de Institutul Max Planck pentru Fizică Extraterestră (MPE), oferă o privire rară asupra modului în care găurile negre enorme au crescut și au interacționat în cele mai timpurii etape ale universului.
Descoperire senzațională în cosmos
Găurile negre se află într-o galaxie cunoscută sub denumirea de J0148-4214. Toate trei acumulează activ materie, care spiralează spre ele prin discuri de gaz și alte materiale înconjurătoare. Deoarece galaxia este atât de îndepărtată, lumina sa a călătorit prin spațiu timp de aproximativ 12,5 miliarde de ani înainte de a ajunge pe Pământ. Aceasta înseamnă că astronomii o observă așa cum exista la doar 1,2 miliarde de ani după Big Bang. Pe distanțe atât de mari, expansiunea universului întinde lumina la lungimi de undă mai lungi și mai roșii. Astronomii măsoară acest efect printr-o proprietate numită deplasare spre roșu (redshift). Pentru J0148-4214, cercetătorii au măsurat o deplasare spre roșu de z=5,02, permițându-le să-i determine distanța remarcabilă.
Trei găuri negre într-o singură galaxie străveche
"Aceasta este prima dovadă a trei găuri negre active într-o singură galaxie din Universul îndepărtat", spune Hannah Übler, liderul grupului de cercetare de la MPE și autoarea principală a studiului. Două dintre găurile negre se află aproape de centrul galaxiei, separate de o distanță proiectată de doar 620 de ani lumină. A treia se află mult mai departe, la aproximativ 5.500 de ani lumină de centru. Descoperirea oferă dovezi importante despre modul în care găurile negre masive au ajuns să coexiste în universul tânăr. "Sugerează că procesele din Universul timpuriu au fost eficiente în aducerea laolaltă a găurilor negre masive, pregătind terenul pentru fuziunile de găuri negre pe care ne așteptăm să le detectăm cu viitoarele observatoare de unde gravitaționale", spune Übler. Astronomii cred că coliziunile și fuziunile de galaxii au fost comune în istoria timpurie a universului. Pe măsură ce galaxiile s-au combinat, găurile lor negre centrale s-au putut apropia și, în cele din urmă, fuziona. Aceste fuziuni ar fi produs găuri negre din ce în ce mai masive în centrele galaxiilor nou formate, ajutând, posibil, la explicarea modului în care unele au atins dimensiuni enorme atât de curând după Big Bang.
Cum au detectat astronomii găurile negre ascunse
Cercetătorii au identificat cele trei găuri negre examinând tipare distinctive în lumina emisă de gazul de hidrogen. Lângă o gaură neagră, forțele gravitaționale puternice determină gazul să se deplaseze cu viteze extrem de mari. Aceste mișcări lasă semnături recunoscibile în spectrul luminii, permițând astronomilor să detecteze activitatea găurilor negre chiar și atunci când obiectele în sine nu pot fi văzute direct. În centrul J0148-4214, echipa a găsit un model de emisie de hidrogen deosebit de complicat. Cea mai bună explicație a fost prezența a două găuri negre apropiate, mai degrabă decât o singură sursă. Pentru a le distinge, oamenii de știință au folosit o tehnică precisă de măsurare numită spectro-astro-metrie. Urmărind schimbări subtile în pozițiile emisiilor spectrale în întreaga galaxie, au reușit să identifice locațiile ambelor găuri negre centrale, chiar dacă telescopul nu le putea rezolva ca două puncte separate de lumină. Observațiile au relevat, de asemenea, a treia gaură neagră activă în regiunea exterioară a galaxiei.
Trei găuri negre cu mase remarcabil de diferite
Cele trei găuri negre variază dramatic ca dimensiune. Conform calculelor cercetătorilor, masele lor sunt de aproximativ 80 de milioane, 600.000 și 2 milioane de ori mai mari decât cea a Soarelui. În mod surprinzător, cea mai mare gaură neagră nu este cea care se hrănește cel mai agresiv. Vecinul său mai mic, cu o masă de aproximativ 600.000 de sori, acumulează materie la o rată mult mai mare. De fapt, rata sa estimată de acumulare depășește limita maximă prezisă de modelele de bază ale creșterii găurilor negre (limita Eddington). Această creștere neobișnuit de rapidă poate oferi indicii despre modul în care unele găuri negre au devenit extraordinar de masive în timpul timpului relativ scurt disponibil în universul timpuriu. "Datele JWST ne-au permis nu doar să identificăm cele trei găuri negre, ci și să le estimăm masele, ratele de acreție și masa stelară a galaxiei", spune Dr. Giovanni Mazzolari, al doilea autor al studiului și cercetător la MPE. "Am găsit o masă stelară totală de aproximativ 1,3 miliarde de sori, iar găurile negre reprezintă o fracțiune semnificativă din aceasta."
O fuziune străveche de găuri negre în devenire
Se așteaptă ca cele două găuri negre din apropierea centrului galaxiei să fuzioneze în următorii câteva sute de milioane de ani. Coliziunea lor finală ar putea contribui la crearea unei găuri negre și mai masive, ilustrând un proces care ar fi putut fi esențial pentru creșterea giganților cosmici timpurii ai universului. "Aceste rezultate sunt extrem de interesante", adaugă Roberto Maiolino, profesor la Universitatea din Cambridge și co-autor al studiului. "Sugerează că fuziunea găurilor negre poate fi o cale suplimentară și rapidă pentru creșterea lor accelerată în Universul timpuriu." A treia gaură neagră prezintă un alt puzzle intrigant. Situată mult în afara centrului galaxiei, ar putea fi o rămășiță a unei fuziuni anterioare, care a fost împinsă spre exterior de un recul gravitațional puternic. O astfel de lovitură poate apărea atunci când găurile negre care fuzionează emit unde gravitaționale neuniform, trimițând gaura neagră rezultată în direcția opusă. O altă posibilitate este ca a treia gaură neagră să se deplaseze treptat spre centrul galaxiei, unde ar putea interacționa cu celelalte două.
James Webb dezvăluie găuri negre ce altfel ar fi rămas ascunse
Descoperirea subliniază capacitățile remarcabile ale Telescopului Spațial James Webb (JWST) pentru studierea găurilor negre din galaxiile îndepărtate. În special, constatările demonstrează importanța spectroscopiei cu câmp integral, care permite astronomilor să examineze cum variază lumina și semnăturile sale spectrale pe diferite părți ale unei galaxii. Folosind Spectrograful Infraroșu Apropiat al lui Webb în modul său de spectroscopie cu câmp integral (NIRSpec-IFS), cercetătorii au putut separa semnalele care altfel ar fi părut că provin dintr-o singură gaură neagră. Fără acea informație spațială detaliată, astronomii ar fi identificat, probabil, doar una dintre cele trei găuri negre active ale galaxiei. Rezultatele sugerează că alte galaxii îndepărtate ar putea conține multiple găuri negre în creștere nedetectate. Găsirea mai multor astfel de sisteme ascunse ar putea ajuta oamenii de știință să reconstruiască istoria fuziunilor de găuri negre și să înțeleagă mai bine cum universul a produs cele mai masive găuri negre ale sale atât de devreme în istoria cosmică.