Kuollut jättimusta aukko mitattiin varhaisesta universumista

Nyt on hiljaista. Aikaisemmin tämä kohde saattoi hehkua kvasaarina, loistaen kirkkaammin kuin koko galaksinsa. Tänään se on nukkuva jättiläinen: valtava musta aukko, jonka massa on noin kuusi miljardia kertaa Auringon massa, nähtynä aikana, jolloin maailmankaikkeus oli vasta noin kolme miljardia vuotta vanha.

Kuinka tähtitieteilijät löysivät piilotetun massiivisen kohteen

Tähtitieteilijät tavallisesti havaitsevat varhaista universumia etsimällä valoa: kirkkaat kvasaariot kertovat aktiivisista, kaasua ahmivista supermassiivisista mustista aukoista. Mutta eivät kaikki massiiviset mustat aukot jätä jälkeensä loistavaa valojuovaa. Jotkut vaipuvat lepotilaan, kun niiden polttoaine loppuu tai kun palautekäytös kuumentaa ja poistaa ympäröivää kaasua. Nämä hiljaiset jättiläiset on paljon vaikeampi havaita. Kuinka siis punnita sitä, mitä et voi nähdä?

Tämä ryhmä käytti kahta kosmista työkalua samanaikaisesti: NASA:n James Webbin avaruusteleskoopin teräviä infrapunasilmiä ja gravitaatiolinssin suurennusvoimaa. Lähempi galaksi sijaitsee suoraan MRG-M0138:n näkölinjalla, taivuttaen ja vahvistaen taustagalaksin valoa noin 30-kertaiseksi. Tämä luonnollinen 'teleskooppi' venytti kuvaa, jolloin JWST pystyi erottamaan yksityiskohtia, jotka muutoin olisivat sumentuneet himmeiksi läikiksi.

Tällä vahvistetulla näkymällä tutkijat seurasivat tähtien liikkeitä galaksin ytimen yli. Tähdet tuntevat kaiken sen gravitaation, mikä on niiden ratojen sisällä. Jos hyvin massiivinen, kompaktinen kohde piileksi keskustassa, läheltä kulkevat tähdet liikkuvat nopeammin kuin kauempana olevat. Kartoitamalla nopeuskuvioita ja rakentamalla dynaamisia malleja ryhmä päätteli supermassiivisen mustan aukon olemassaolosta ja arvioi sen massaksi noin kuusi miljardia Aurinkoa. Mittaus perustui tähtidynamiikkaan, menetelmään, jota käytetään Linnunradan ja lähipaikkakuntien tutkimuksissa, mutta tällä kertaa sovellettuna ennennäkemättömälle kosmologiselle etäisyydelle.

Miksi tämä mittaus on tärkeä

Tästä etäisyydestä löytyneen lepotilan omaavan mustan aukon löytäminen muuttaa näkökulmaa. Aiemmin kaukaisin tähtien liikkeistä mitattu lepotilassa oleva musta aukko sijaitsi noin 700 miljoonan valovuoden päässä. MRG-M0138 on yli 10 miljardin valovuoden päässä, työntäen tekniikkaa syvemmälle kosmiseen historiaan ja murskaten etäisyysennätyksen noin 15-kertaiseksi.

Tämä ulottuvuus muuttaa, mitä tähtitieteilijät voivat testata suhteessa siihen, miten galaksit ja mustat aukot kasvoivat yhdessä. Lähellä olevissa galakseissa näkyy tiukka korrelaatio: suuremmat keskuskokoonpanot näyttävät isompien mustien aukkojen kotipaikoilta. Emme kuitenkaan tiedä, oliko tämä suhde jo olemassa varhain, vai kehittyivätkö mustat aukot ja galaksit eri polkuja ennen kuin ne asettuivat nykyiseen kaavaansa.

Uusi tulos tarjoaa harvinaisen havaintopisteen ajalta, jolloin tähtien muodostus ja mustien aukkojen kasvu olivat keskimäärin aktiivisempia. Olennaista on, että sekä musta aukko että sen isäntägalaksi vaikuttavat rauhallisilta. Galaksi näyttää vain vähän käynnissä olevaa tähtien muodostusta, mikä viittaa siihen, että jokin prosessi lopetti tähtien syntymisen kauan ennen nykyistä aikaa. Yksi uskottava selitys on, että musta aukko kasvoi aiemmin nopeasti, ja tuolloin vapautunut energia kuumensi tai poisti tähtien muodostukseen tarvittavan kaasun, prosessi joka tunnetaan tähtien muodostuksen tukahduttamisena. Tämä skenaario kytkee mustien aukkojen fysiikan galaksien evoluutioon syy-yhteyden tavoin.

Tekniikka ja teknologia

Tähtidynamiikka on käsitteellisesti suoraviivaista mutta käytännössä vaativaa. Havainnoitsijat tarvitsevat korkeaa spatiaalista resoluutiota ja herkkää spektroskopiaa mitatakseen, miten tähtien nopeudet muuttuvat etäisyyden suhteen. JWST tarjoaa herkkyyden ja infrapunaspektrin peiton, jotka ovat välttämättömiä etäisten, punertavien galaksien tutkimiseen. Gravitaatiolinssi puolestaan antaa spatiaalisen suurennuksen. Yhdessä nämä mahdollistivat ryhmän, jota johti Andrew Newman Carnegie Sciencesta yhteistyössä University College Londonin ja muiden instituutioiden kanssa, kurkistamaan mustan aukon vaikutuspiiriin aikana, jolloin maailmankaikkeus oli alle neljäsosa nykyisestä iästään.

Tarkan dynaamisen mallintamisen edellytyksenä on myös huolellinen galaksin massajakauman huomioiminen, mukaan lukien tähdet ja pimeä aine, sekä ymmärrys rata-anisotropioista. Tutkijat ajoivat joukon malleja erottaakseen keskuspisteen massan, eli mustan aukon, tähdistön laajemmasta massasta. Tulos kesti tarkistukset: supermassiivinen, mutta tällä hetkellä passiivinen, musta aukko hallitsee ydintä.

JWST ja gravitaatiolinssit mahdollistivat kansainvälisen tähtitieteilijäryhmän, jota johti Carnegie Sciencen Andrew Newman, mittaamaan varhaisen maailmankaikkeuden lepotilan mustan aukon massan ensimmäistä kertaa. 

Seuraukset tuleville tutkimuksille ja teorialle

Tämä havainto avaa uuden havaintokanavan. Jos JWST yhdessä linsseilyn kanssa voi paljastaa lepotilassa olevia mustia aukkoja kosmologisilla etäisyyksillä, massiivisia, lensattuja galakseja kohdentavat havainnot voisivat koota tilastollisen otoksen koko kosmiselta ajalta. Se antaisi teoreetikoille mahdollisuuden testata, ylittivätkö mustat aukot johdonmukaisesti tähtien kasvun varhaisessa universumissa vai kasvoivatko molemmat komponentit samassa tahdissa.

Tällä on laajempia seurauksia palautteen, sammuttamisen ja aktiivisten galaktisten ytimien elinkaarimallien kannalta. Ymmärtäminen siitä, milloin ja miksi mustat aukot sammuvat, on ratkaisevaa galaksipopulaatioiden kehityksen ennustamisessa. Jos lepotilassa olevat jättiläiset ovat yleisiä suurilla punasiirtymillä, intensiivisen aineen kerääntymisen jaksot, joita seuraa pitkä rauhoittuminen, saattavat olla tavallinen vaihe galaksin elämässä. Vaihtoehtoisesti nämä kohteet voivat olla harvinaisia reliktejä poikkeuksellisista kasvutapahtumista.

Tulevat havainnot voivat myös tutkia, voivatko lepotilassa olevat mustat aukot syttyä uudelleen. Esimerkiksi kylmän kaasun uusi virtaus, vaikkapa galaksien yhdistymän kautta, voisi aktivoida keskuksen uudelleen ja muuttaa hiljaisen ytimen takaisin kvasaariksi. Seuranta ympäristöistä ja yhdistymishistoriasta lensatuilla galakseilla tulee olemaan osa jatkostrategiaa.

Asiantuntijan näkökulma

"Tämä mittaus osoittaa, että JWST:n ja gravitaatiolinssien yhdistelmä ei ole vain kuriositeetti vaan käytännöllinen tapa laajentaa klassisia dynaamisia menetelmiä varhaiseen universumiin", sanoo fiktiivinen mutta edustava asiantuntija, tohtori Elena Marquez, galaksien muodostumista tutkiva astrofysiikko. "Se antaa suoran otteen mustien aukkojen massoista alueilla, joissa aiemmin meillä oli vain epäsuoria arvauksia kirkkauden perusteella. Se pakottaa teoreetikot hienosäätämään mallejaan galaksien ja niiden keskusten mustien aukkojen yhteiskehityksestä."

Tohtori Marquez lisää: "Seuraava askel on muuttaa yksittäiset löydöt otoksiksi. Muutaman hyvin mitatun järjestelmän avulla eri aikakausilta voimme alkaa kartoittaa mustien aukkojen kasvun tempoa suhteessa tähtien muodostukseen."

Yhteenveto

MRG-M0138:n kuolleen, kuuden miljardin Auringon massaisen mustan aukon löytäminen muuttaa osan mustien aukkojen lukumääräarvioista. Se todistaa, että raskaita yksilöitä oli olemassa ja että ne olivat jo hiljentyneet, kun maailmankaikkeus oli nuori. Vielä tärkeämpää on se, että yhdistämällä JWST:n herkkyyden luonnon gravitaatiolinssien kanssa tähtitieteilijät voivat punnita näkymättömiä jättiläisiä paljon kauempana kuin aiemmat instrumentit mahdollistivat. Kun havainnot laajenevat ja mallit mukautuvat, nämä nukkuvat jättiläiset auttavat selittämään, miten galaksien kirkkaimmat ja tummimmat osat muovasivat toisiaan kosmisessa ajassa.