„Nuostabu, kad tokie masyvūs tankūs objektai galėjo susiformuoti taip greitai po Didžiojo Sprogimo,“ sakė Michael Strauss, Princetono universiteto astrofizikos profesorius, vienas iš tyrimo autorių. „Mūsų kosmologiniams modeliams juodųjų skylių formavimasis ankstyvojoje Visatoje ir jų paplitimas yra rimtas iššūkis.“
Šis atradimas gerokai padidina žinomų tos epochos juodųjų skylių skaičių, ir pirmą kartą parodo jų paplitimą ankstyvojoje Visatoje. Be to, jis pateikia naujas įžvalgas apie juodųjų skylių poveikį ankstyvos Visatos dujų fizinei būklei per pirmąjį milijardą metų. Tyrimas skelbiamas kaip penkių straipsnių serija The Astrophysical Journal ir Publications of the Astronomical Observatory of Japan.
Galaktikų centruose esančios supermasyvios juodosios skylės (SJS) gali būti milijonus ar net milijardus kartų masyvesnės už Saulę. Nors dabar jų daug, tačiau susiformavimo ir skaičiaus tolimojoje Visatos praeityje klausimas tebelieka neaiškus. SJS tampa matoma, kai į ją krentančios dujos įkaista ir švyti kaip kvazaras*. Ankstesniais tyrimais buvo galima aptikti tik itin retai pasitaikančius, skaičiausius kvazarus, taigi, ir masyviausias juodąsias skyles. Naujais atradimais praplečiamas blyškesnių kvazarų, kuriuos maitinančios SJS yra panašios į dabartinės Visatos daugumos galaktikų SJS, ratas.
Jei Visatos istoriją nuo Didžiojo Sprogimo iki mūsų dienų įsivaizduotume kaip amerikietiško futbolo aikštelę [120 jardų, 110 metrų ilgio], Žemė ir visa Saulės sistema atsiranda tik prie 33 jardų linijos. Gyvybė atsirado kiek arčiau 28 jardų linijos, o dinozaurai išnyko pusiaukelėje tarp 1 jardo linijos ir įvarčio linijos. Visa žmonijos istorija – nuo hominidų nusileidimo iš medžių – telpa colyje [2,54 cm] iki įvarčio linijos. Tokio mastelio laiko juostoje 83 SJS atsiradimas būtų prie visatos pusės 6 jardų linijos, netrukus po paties Didžiojo
Tyrėjai naudojo duomenis, surinktus pažangiausiu instrumentu, „Hyper Suprime-Cam“ (HSC), sumontuotu Japonijos Nacionalinės astronomijos observatorijos Subaru teleskope, stovinčiame ant Maunakea viršūnės Havajuose. HSC apžvalgos laukas itin didelis —1,77 laipsniai (septynis kartus didesnis už Mėnulio pilnaties plotą) ir jis sumontuotas viename iš didžiausių teleskopų pasaulyje. HSC komanda stebėjo dangų 300 teleskopo darbo naktų per 5 metus.
Iš didelio jautrumo HSC apžvalgos duomenų komanda pasirinko tolimus kvazarų kandidatus. Tada, naudodami tris teleskopus: Subaru teleskopą; Gran Telescopio Canarias, stovintį La Palma saloje Kanaruose, Ispanijoje; ir Gemini Pietinį teleskopą Čilėje, per intensyvią stebėjimo kampaniją gavo šių kandidatų spektrus. Tyrimu atrasti 83 anksčiau nežinoti labai tolimi kvazarai. Apjungę su 17 jau anksčiau žinotų kvazarų iš tyrimo regiono, tyrėjai išsiaiškino, kad viena supermasyvi juodoji skylė pasitaiko maždaug viename kubiniame gigašviesmetyje — kitaip tariant, jei supjaustytume visatą į įsivaizduojamus kubus, kurio kraštinė yra vienas milijardas šviesmečių, kiekviename būtų po vieną supermasyvią juodąją skylę.
Šiame tyrime naudoti kvazarai yra už maždaug 13 milijardų šviesmečių nuo Žemės; kitaip tariant, matome juos tokius, kokie jie buvo prieš 13 milijardų metų. O kadangi Didysis Sprogimas įvyko prieš 13,8 milijardus metų, praktiškai žvelgiame į praeitį, ir matome šiuos kvazarus ir supermasyvias juodąsias skyles tokius, kokie jie buvo, praėjus tik ~800 milijonams metų nuo (žinomos) visatos atsiradimo.
Mokslo bendruomenėje vyrauja konsensusas, kad vandenilis Visatoje kadaise buvo neutralus, tačiau buvo „rejonizuotas“ — suskaidytas į protonus ir elektronus – maždaug tuo metu, kai radosi pirmoji žvaigždžių, galaktikų ir supermasyvių juodųjų skylių karta, per pirmus kelis šimtus milijonų metų po Didžiojo Sprogimo. Tai yra lemiamas kosmoso istorijos metas, bet astronomai vis dar nežino, iš kur ėmėsi neįtikėtina energija, kurios reikėjo rejonizacijai. Pagal vieną patraulią hipotezę, ankstyvojoje visatoje kvazarų būta daug daugiau, nei anksčiau aptikta, ir tai jų bendra spinduliuotė rejonizavo visatą.
Astronomai iš Japonijos, Taivano ir Princetono universiteto visatos toliuose, – kai ji buvo mažiau nei 10% dabartinio savo amžiaus, – atrado 83 kvazarus, kuriems energiją tiekia supermasyvios juodosios skylės. Šioje Hyper-Suprime Camera nuotraukoje, padarytoje naudojant Subaru teleskopą Maunakea, šviesa sklinda iš vieno tolimiausių žinomų kvazarų, kuriam energiją tiekia supermasyvi juodoji skylė už 13,05 mlrd. šviesmečių nuo Žemės. Kiti matomi objektai yra į regos lauką patekusios mūsų, Paukščių Tako, galaktikos žvaigždės.
„Tačiau aptiktų kvazarų skaičius rodo, kad taip nėra,“ paaiškino Robertas Luptonas, 1985 m. Princetone įgijęs filosofijos daktaro laipsnį ir vyr. mokslo darbuotojas astrofizikos srityje. „Kvazarų matome gerokai mažiau, nei reikėtų, norint jais paaiškinti rejonizaciją.“ Tad, rejonizaciją sukėlė kitas energijos šaltinis, labiausiai tikėtina – jaunoje visatoje pradėjusios formuotis galaktikos. Šį tyrimą buvo įmanoma atlikti tik pasinaudojus geriausių pasaulyje Subaru ir HSC instrumentų galimybėmis. „Mūsų atrasti kvazarai bus įdomūs tyrinėjimo subjektai dabartiniais ir būsimais įtaisais,“ pažymėjo tyrimui vadovavęs Yoshiki Matsuoka, buvęs Princetono postdoktorantas, dabar dirbantis Ehime universitete Japonijoje. „Be to, lygindami išmatuotą kvazarų skaičiaus ir šviesio pasiskirstymą su teorinių modelių prognozėmis, sužinosime apie supermasyvių juodųjų skylių formavimąsi ir ankstyvąją evoliuciją.“
Remdamasi lig šiol pasiektais rezultatais, komanda ketina aptkti dar daugiau tolimų kvazarų ir išsaiškinti, kada visatoje atsirado pirmosios SJS.
