Ομάδα ερευνητών κατόρθωσε να υπολογίσει με άμεσο τρόπο την μάζα της κεντρικής μαύρης τρύπας σε ένα πρωτογαλαξιακό σύστημα του πρώιμου Σύμπαντος. Τα αποτελέσματα της έρευνας καταδεικνύουν ότι  η μαύρη τρύπα είναι προγενέστερη του μικροσκοπικού της «γαλαξία», ότι πρέπει να «γεννήθηκε» εξαρχής με πολύ μεγάλη μάζα και ότι εμπεριέχει τουλάχιστον τα δύο τρίτα της συνολικής μάζας του συστήματος στο οποίο ανήκει. Τα σημαντικά αυτά αποτελέσματα θα βοηθήσουν τους αστροφυσικούς να κατανοήσουν σε μεγαλύτερο βάθος την προέλευση ορισμένων τουλάχιστον από τις υπερμαζικές μαύρες τρύπες, οι οποίες υπάρχουν στους πυρήνες σχεδόν όλων των γαλαξιών του Σύμπαντος. 

Τι σχηματίζεται πρώτο: μια υπερμαζική μαύρη τρύπα ή ο γαλαξίας που την φιλοξενεί; Οι επιστήμονες θεωρούσαν παλαιότερα ότι οι γαλαξίες είναι αυτοί που σχηματίζονται πρώτοι και ότι οι γιγάντιες μαύρες τρύπες που φιλοξενούν στους πυρήνες τους σχηματίζονται ιεραρχικά από μια «αρχική σπορά» αστρικών μαύρων οπών, οι οποίες αυξάνουν τη μάζα τους διαρκώς. Αυτό επιτυγχάνεται με δύο τρόπους: απορροφώντας ύλη από τον δίσκο προσαύξησης που σχηματίζεται γύρω τους, καθώς και μέσα από αλλεπάλληλες συγκρούσεις και συγχωνεύσεις με άλλες μαύρες τρύπες. Πιο πρόσφατα, οι επιστήμονες θεωρούν ότι οι υπερμαζικές μαύρες τρύπες και οι γαλαξίες τους «συνεξελίσσονται», με την έννοια ότι διαμορφώνονται παράλληλα και ταυτόχρονα, επηρεάζοντας η μία την ανάπτυξη του άλλου. Μέχρι σήμερα, πάντως, το μεγάλο κοσμολογικό πρόβλημα της προέλευσης των υπερμαζικών μαύρων οπών δεν έχει ακόμη βρει την οριστική του λύση. 

Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, αυτές οι πιο «κλασικές» απαντήσεις στο αρχικό μας ερώτημα άρχισαν να αμφισβητούνται με την ανακάλυψη στο νεαρό Σύμπαν όλο και περισσότερων μαύρων οπών με μάζα εκατομμύρια, ακόμη και δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου. Πραγματικά, είναι πολύ δύσκολο να εξηγήσουμε το πώς ακριβώς οι γιγάντιες μαύρες τρύπες του νεαρού Σύμπαντος πρόλαβαν να αποκτήσουν την τεράστια μάζα που τους αντιστοιχεί μέσα σε λίγες μόνο εκατοντάδες εκατ. χρόνια μετά την Μεγάλη Έκρηξη, εάν όντως προέρχονται από μια αρχική σπορά αστρικών μαύρων οπών, οι οποίες «γεννιούνται» με πολύ μικρή μάζα. 

Τώρα, όμως, με την βοήθεια του διαστημικού τηλεσκοπίου James Webb, ερευνητές εντόπισαν σαφείς ενδείξεις ότι ορισμένες τουλάχιστον απ’ αυτές σχηματίστηκαν εξαρχής με πολύ μεγάλη μάζα, δηλαδή με έναν φυσικό μηχανισμό αναγκαστικά διαφορετικό από αυτόν που περιγράψαμε πιο πάνω. Τα αποτελέσματα της σχετικής έρευνας δημοσιεύθηκαν στα επιστημονικά περιοδικά Nature και Monthly Notices of the Royal Astronomical Society και βασίζονται σε λεπτομερείς παρατηρήσεις του Abell2744-QSO1 (QSO1), μιας τυπικής «Μικρής Κόκκινης Κουκίδας» που υπήρχε μόλις 700 εκατ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. 

Οι Μικρές Κόκκινες Κουκκίδες (Little Red Dots–LRD) είναι ένας νέος τύπος συμπαγών αντικειμένων, που ανακάλυψε το James Webb, οι οποίες υπήρχαν στο νεαρό Σύμπαν, περίπου 600 εκατ.–1 δισ. χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αρχικά, οι αστρονόμοι θεώρησαν ότι οι LRD ήταν πρώιμοι γαλαξίες μεγάλης μάζας, μια ερμηνεία που αποδείχθηκε προβληματική, καθώς ερχόταν σύγκρουση με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Πρότυπου της Κοσμολογίας για την εξέλιξη των δομών μεγάλης κλίμακας. 

Αν και το QSO1 έχει διάμετρο μόλις 1.300 έτη φωτός και το φως του ταξίδευε για περισσότερα από 13 δισ. χρόνια μέχρι να ανιχνευθεί από το James Webb, ήταν ευκολότερο να μελετηθεί από άλλα LRD, χάρη στο φαινόμενο της βαρυτικής εστίασης, που προκαλεί η τεράστια μάζα του γαλαξιακού σμήνους Abell 2744 (Σμήνος της Πανδώρας). 

Οι ερευνητές, μάλιστα, αντί να εκτιμήσουν τη μάζα της μαύρης τρύπας με έμμεσο τρόπο, όπως γινόταν μέχρι πρόσφατα για τόσο πρώιμες μαύρες τρύπες, χρησιμοποίησαν το James Webb για να υπολογίσουν απευθείας την επίδραση της βαρύτητάς της στα αέρια που στροβιλίζονται γύρω της, αλλά και για να χαρτογραφήσουν την κατανομή των διαφόρων στοιχείων που εμπεριέχουν. Όταν, λοιπόν, απεικόνισαν τη ταχύτητα περιστροφής των αερίων ως συνάρτηση της απόστασής τους από το κέντρο του QSO1, διαπίστωσαν ότι αυτά ακολουθούν κεπλεριανή κίνηση: περιφέρονται δηλαδή γύρω από ένα κεντρικό σημείο με τον ίδιο τρόπο που οι πλανήτες του Ηλιακού μας συστήματος περιφέρονται γύρω από τον Ήλιο. 

Το εύρημα αυτό είναι σημαντικό γιατί καταδεικνύει ότι το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του QSO1 συγκεντρώνεται στη μαύρη τρύπα που βρίσκεται στο κέντρο του. Δεδομένου ότι η κεπλεριανή κίνηση διέπεται από απλούς νόμους της βαρύτητας, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τις μετρήσεις της ταχύτητας των αερίων για να υπολογίσουν απευθείας τη μάζα της μαύρης τρύπας, καταλήγοντας ότι είναι της τάξης των 50 εκατ. ηλιακών μαζών. Αυτή είναι η πρώτη φορά που υπολογίζεται με άμεσο τρόπο η μάζα μιας υπερμαζικής μαύρης τρύπας, η οποία είχε προλάβει να αποκτήσει τόσο μεγάλη μάζα τόσο νωρίς στην διάρκεια της κοσμολογικής εξέλιξης. 

Εξίσου εντυπωσιακό είναι το γεγονός ότι εμπεριέχει τουλάχιστον τα δύο τρίτα της συνολικής μάζας του QSO1. Αυτή η αναλογία μάζας μεταξύ της μαύρης τρύπας και του γαλαξία της είναι χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από ό,τι σε γειτονικούς μας γαλαξίες, όπου οι υπερμαζικές μαύρες τρύπες αποτελούν ένα μικρό μόνο κλάσμα της συνολικής μάζας του γαλαξία που τις φιλοξενεί. Η ανάλυση των σχετικών δεδομένων καταδεικνύει επίσης ότι τα αέρια του QSO1 αποτελούνται σχεδόν εξ ολοκλήρου από υδρογόνο και ήλιο, με ελάχιστες προσμίξεις από βαρύτερα στοιχεία. Αυτή ακριβώς η χαμηλή μεταλλικότητα του QSO1, αλλά και η σχεδόν τέλεια κεπλεριανή περιστροφή των αερίων του, υποδηλώνουν την απουσία ενός σημαντικού αστρικού πληθυσμού. 

Η χαμηλή μεταλλικότητα, η απουσία άστρων και αστρικών λειψάνων και η τεράστια μάζα της μαύρης τρύπας του QSO1 καταδεικνύουν επίσης ότι η αρχική της σπορά δεν μπορεί να είναι οι αστρικές μαύρες τρύπες, αλλά ότι, τόσο αυτή, όσο και ορισμένες τουλάχιστον από τις υπερμαζικές μαύρες τρύπες του πρώιμου Σύμπαντος, πρέπει να γεννιούνται εξαρχής με πολύ μεγαλύτερη μάζα. 

Τα ευρήματα, δηλαδή, αυτών των μελετών αποτελούν ένδειξη για την ύπαρξη μιας αρχικής σποράς μαύρων οπών πολύ μεγαλύτερης μάζας, με χαρακτηριστικότερα παραδείγματα τις αρχέγονες μαύρες τρύπες και τις μαύρες τρύπες άμεσης κατάρρευσης, οι οποίες έχουν μελετηθεί θεωρητικά αλλά η ύπαρξή τους δεν έχει επιβεβαιωθεί με την παρατήρηση. 

Οι αρχέγονες μαύρες τρύπες εικάζεται ότι μπορεί να δημιουργήθηκαν το πολύ μέσα στο πρώτο δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη, μέσα από την άμεση κατάρρευση υπέρπυκνων και υπέρθερμων συσσωρεύσεων υποατομικής ύλης. Οι μαύρες τρύπες άμεσης κατάρρευσης, από την άλλη, εικάζεται ότι μπορεί να σχηματίστηκαν 100-250 εκατ. χρόνια αργότερα, όταν γιγάντια νέφη υδρογόνου και ηλίου κατέρρευσαν απευθείας σε μαύρες τρύπες. 

Όπως και να ‘χει και ανεξάρτητα από το πιο σενάριο τελικά θα επικρατήσει, οι ερευνητές καταλήγουν: «το γεγονός ότι η μαύρη τρύπα του QSO1 περιβάλεται από αέρια με εξαιρετικά χαμηλή περιεκτικότητα σε μέταλλα, καθώς και ότι είναι σχεδόν «γυμνή», με ελάχιστη (αν όχι καθόλου) αστρική μάζα γύρω της, υποδηλώνει ότι πρόκειται για μια αρχική σπορά μεγάλης μάζας» που βρίσκεται στα πρωταρχικά στάδια της δημιουργίας ενός γαλαξία γύρω της. Αυτό με τη σειρά του καταδεικνύει ότι, σε ορισμένες τουλάχιστον περιπτώσεις, η μαύρη τρύπα μπορεί να σχηματίστηκε πρώτη, ενώ ο γαλαξίας σχηματίστηκε αργότερα γύρω της. Εάν οι μελέτες αυτές επαληθευθούν, οι επιστήμονες θα έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την επίλυση του μεγάλου κοσμολογικού προβλήματος που αφορά στην προέλευση, αλλά και στην μετέπειτα εξέλιξη των γαλαξιακών μαύρων οπών. 

Πηγή: NASA’s Webb Reveals Black Hole That Formed Before Its Galaxy - NASA Science

Φωτογραφία: Σε αυτή την εικόνα από τα διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb διακρίνεται ο QSO1, μεγεθυμένος και με τριπλό είδωλο, χάρη στο φαινόμενο της βαρυτικής εστίασης που προκαλεί το γαλαξιακό σμήνος Abell

π