Zahvaljujoč izjemno izboljšanim zmogljivostim današnjih teleskopov astronomi sondirajo globlje v vesolje in nazaj v čas. Pri tem so lahko naslovili nekaj dolgoletnih skrivnosti o tem, kako se je Vesolje razvijalo od velikega poka. Ena od teh skrivnosti je, kako supermasivne črne luknje (SMBH), ki igrajo ključno vlogo pri evoluciji galaksij, nastalih v zgodnjem vesolju.
Mednarodna skupina astronomov je z uporabo zelo velikega teleskopa ESO v Čilu opazovala galaksije, ko so se pojavile približno 1,5 milijarde let po velikem udaru (približno 12,5 milijarde let nazaj). Presenetljivo so opazili velike rezervoarje hladnega vodikovega plina, ki bi lahko zagotovili zadosten "vir hrane" za SMBH. Ti rezultati bi lahko pojasnili, kako so SMBH-ji tako hitro rasli v obdobju, znanem kot Kozmična zore.
Ekipo sta vodila dr. Emanuele Paolo Farina z Inštituta Maxa Plancka za astronomijo (MPIA) in Inštituta Maxa Plancka za astrofiziko (MPA). Pridružili so se mu raziskovalci iz MPIA in MPA, evropskega južnega observatorija (ESO), UC Santa Barbara, astrofizičnega observatorija Arcetri, observatorija za astrofiziko in vesoljsko znanost iz Bologne in inštituta Max Planck za nezemeljsko fiziko (MPEP).
Astronomi že desetletja preučujejo SMBH, ki obstajajo v jedru večine galaksij in jih identificirajo njihovi aktivni galatski jedri (AGN). Ta jedra, ki so znana tudi kot kvazarji, lahko oddajajo več energije in svetlobe kot ostale zvezde v galaksiji skupaj. Do zdaj je najbolj oddaljena opažena ULAS J1342 + 0928, ki je oddaljena 13,1 milijarde svetlobnih let.
Glede na to, da se ocenjuje, da so prve zvezde nastale šele 100.000 let po velikem udaru (približno 13,8 milijarde let nazaj), to pomeni, da so se morale SMBH hitro oblikovati, da so prve zvezde umrle. Do zdaj pa astronomi v zgodnjem vesolju niso našli prahu in plina v dovolj velikih količinah, da bi to razložili hitro rast.
Poleg tega so prejšnja opazovanja, izvedena z veliko milimetrsko / submilimetrsko matriko Atacama (ALMA), razkrila, da so zgodnje galaksije vsebovale veliko prahu in plina, kar je spodbudilo hitro nastajanje zvezd. Te ugotovitve so pokazale, da za hranjenje črnih lukenj ne bi ostalo veliko materiala, kar je samo še poglobilo skrivnost, kako so tudi oni tako hitro rasli.
Farina in njegovi sodelavci so se zanašali na podatke, zbrane z instrumentom VLT-jevega enotnega spektroskopskega raziskovalca (MUSE), za pregledovanje 31 kvazarjev na razdalji približno 12,5 milijarde svetlobnih let (s čimer so opazovali, kako so izgledali pred 12,5 milijarde let). Zaradi tega je njihova raziskava eden največjih vzorcev kvazarjev iz tega zgodnjega obdobja vesolja. Našli so 12 razširjenih in presenetljivo gostih oblakov vodika.
Ti vodikovi oblaki so bili prepoznani po značilnem sijaju v UV svetlobi. Glede na razdaljo in učinek rdečega premika (kjer se valovna dolžina svetlobe razteza zaradi kozmičnega širjenja) zemeljski teleskopi zaznavajo žarek kot rdečo svetlobo. Kot je Farina pojasnila v sporočilu za javnost MPIA:
“Najverjetnejša razlaga sijočega plina je mehanizem fluorescence. Vodik pretvori energijsko bogato sevanje kvazarja v svetlobo z točno določeno valovno dolžino, kar je opazno z žarom.”
Oblaki hladnega, gostega vodika - ki je bil nekaj milijardkrat večji od Sončeve mase - so tvorili haloge okrog zgodnjih galaksij, ki so se razprostirale na 100.000 svetlobnih let od osrednjih črnih lukenj. Običajno je zaznati take oblake okoli kvazarjev (ki so močno svetli) precej težko. Toda zahvaljujoč občutljivosti instrumenta MUSE - ki ga je Farina opisala kot "menjalnika iger", jih je ekipa precej hitro našla.
Kot je povedala Alyssa Drake, raziskovalka v MPIA, ki je prav tako prispevala k študiji:
“S sedanjimi študijami šele začenjamo raziskovati, kako so se prve supermasivne črne luknje lahko tako hitro razvijale. Toda novi instrumenti, kot sta MUSE in bodoči vesoljski teleskop James Webb, nam pomagajo rešiti te vznemirljive uganke.”
Skupina je ugotovila, da so ti plinski halo tesno vezani na galaksije, kar je popoln "vir hrane" za vzdrževanje tako hitrega nastajanja zvezd kot tudi rasti supermasivne črne luknje. Ta opažanja učinkovito razrešijo skrivnost, kako bi lahko tako zgodaj v zgodovini vesolja obstajale supermasivne črne luknje. Kot povzema Farina:
“Zdaj lahko prvič dokažemo, da prvotne galaksije v svojem okolju vsebujejo dovolj hrane, da lahko vzdržijo rast supermasivne črne luknje in močno nastajanje zvezd.. To doda uganko v sestavljanko, ki jo astronomi gradijo, da bi predstavili, kako so se pred več kot 12 milijardami let oblikovale kozmične strukture.”
V prihodnosti bodo astronomi imeli še bolj izpopolnjene instrumente, s katerimi bodo lahko v zgodnjem vesolju preučevali galaksije in SMBH, kar bi moralo razkriti še več podrobnosti o starodavnih plinskih oblakih. Sem sodijo izjemno velik teleskop ESO (ET), kot tudi vesoljski teleskopi, kot je vesoljski teleskop James Webb (JWST).
Študija, ki opisuje ugotovitve skupine, se je pojavila v 20. številki revije The Astrophysical Journal.