Τα κβάζαρ κατατάσσονται μεταξύ των φωτεινότερων και ισχυρότερων αντικειμένων στο σύμπαν. Τροφοδοτούνται από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες που καταβροχθίζουν το περιβάλλον υλικό στο κέντρο των γαλαξιών, παράγοντας τόση ενέργεια που μπορούν να φανούν σε διάμετρο δισεκατομμυρίων ετών φωτός.
Τώρα, μια διεθνής ομάδα ερευνητών εντόπισε 31 από τα παλαιότερα κβάζαρ που ανακαλύφθηκαν ποτέ, συμπεριλαμβανομένων δύο από τα παλαιότερα γνωστά παραδείγματα. Αυτά τα εκπληκτικά αντικείμενα έλαμπαν ήδη με περίπου ένα τρισεκατομμύριο ήλιους φωτός όταν το σύμπαν ήταν μόλις 670 εκατομμυρίων ετών. Ανακαλύψεις, δημοσιευμένες Αστρονομία και ΑστροφυσικήΠαρέχει μια άνευ προηγουμένου ματιά σε ένα από τα παλαιότερα κεφάλαια της κοσμικής ιστορίας
«Αυτά τα αντικείμενα παρέχουν τις καλύτερες ενδείξεις για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο σχηματίζονται οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Joseph Henavi, καθηγητής φυσικής με κοινά ραντεβού στο UC Santa Barbara και στο Πανεπιστήμιο του Leiden. “Αυτοί οι γίγαντες — που ζυγίζουν δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου μας — ήταν κατά κάποιο τρόπο ήδη εκεί όταν το σύμπαν ήταν στα σπάργανά του. Δεν έχουμε ακόμα καλή ιδέα για το πώς έγιναν τόσο μεγάλοι, τόσο γρήγορα.”
Γιατί τα αρχαία κβάζαρ είναι τόσο δύσκολο να βρεθούν;
Για δεκαετίες, οι αστρονόμοι έψαχναν για τα παλαιότερα κβάζαρ στο σύμπαν επειδή αποθηκεύουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με το πώς δημιουργήθηκαν οι πρώτοι γαλαξίες και οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
Η εύρεση τους, ωστόσο, είναι εξαιρετικά δύσκολη. Τα κβάζαρ που σχηματίστηκαν λιγότερο από 770 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη είναι εξαιρετικά ασυνήθιστα επειδή μόνο ένας μικρός αριθμός γαλαξιών μεγάλωσε αρκετά ώστε να τους φιλοξενήσει. Το αμυδρό φως τους συγχέεται εύκολα με αστέρια πολύ πιο κοντά στον δικό μας γαλαξία.
Ένα άλλο εμπόδιο προέρχεται από τη διαστολή του σύμπαντος. Καθώς το διάστημα επεκτείνεται σε δισεκατομμύρια χρόνια, το φως από αυτά τα μακρινά κβάζαρ μετατοπίζεται από το υπεριώδες στο εγγύς υπέρυθρο. Η ατμόσφαιρα της Γης λάμπει φυσικά σε αυτά τα μήκη κύματος, καθιστώντας πιο δύσκολο για τα επίγεια τηλεσκόπια να ανιχνεύσουν τέτοια αμυδρά αντικείμενα.
Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως redshift, για να εκτιμήσουν τόσο την απόσταση όσο και την ηλικία. Όσο μεγαλύτερη είναι η μετατόπιση προς το κόκκινο, τόσο μακρύτερα και νωρίτερα στην κοσμική ιστορία εμφανίζεται ένα αντικείμενο. «Μια μετατόπιση του 7 στο κόκκινο μάς οδηγεί όταν το σύμπαν ήταν μόλις 750 εκατομμυρίων ετών, λιγότερο από το 6% της τρέχουσας ηλικίας του», είπε ο Henavi.
«Αυτά τα δύο πράγματα καθιστούν απίστευτα δύσκολο την εύρεση κβάζαρ σε αυτή την απόσταση», είπε ο επικεφαλής συγγραφέας Deming Yang, διδακτορικός φοιτητής στην ομάδα του Henavir στο Πανεπιστήμιο του Leiden. “Για καθένα από αυτά υπάρχουν χιλιάδες αστέρια στον Γαλαξία μας και κοντινούς γαλαξίες που φαίνονται σχεδόν πανομοιότυποι στις έρευνες απεικόνισης. Και επειδή το φως τους εκτείνεται τόσο μακριά στο υπέρυθρο, χρειαζόμαστε μια έρευνα που να είναι αρκετά ευρεία για να πιάσει αυτά τα σπάνια αντικείμενα και αρκετά βαθιά για να ανιχνεύσει το αμυδρό φως τους.”
Λόγω αυτών των περιορισμών, η εξερεύνηση από την επιφάνεια της Γης είναι σχεδόν αδύνατη. Οι παρατηρήσεις από το διάστημα παρέχουν πολύ πιο καθαρές απόψεις.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο Ευκλείδης βρήκε 31 αρχαία κβάζαρ
Ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος εκτόξευσε το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Ευκλείδη το 2023 για να διερευνήσει το σύμπαν κατά τη διάρκεια αυτής της κρίσιμης περιόδου. Λειτουργώντας πάνω από την ατμόσφαιρα της Γης, ο Ευκλείδης αποφεύγει την υπέρυθρη λάμψη που περιορίζει τις επίγειες παρατηρήσεις ενώ ερευνά μεγάλα τμήματα του ουρανού σε εξαιρετικά βάθη.
Χρησιμοποιώντας δεδομένα από την Euclid Wide Survey, οι ερευνητές εντόπισαν ένα άνευ προηγουμένου 31 νέα κβάζαρ από το πρώιμο σύμπαν. Μόλις ολοκληρωθεί, η έρευνα θα χαρτογραφήσει περισσότερο από το ένα τρίτο ολόκληρου του ουρανού. Μερικά από αυτά τα κβάζαρ που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα χρονολογούνται σε μια εποχή που το σύμπαν ήταν περίπου το 5% της τρέχουσας ηλικίας του.
Μέχρι τώρα, οι αστρονόμοι έχουν ανιχνεύσει ως επί το πλείστον μόνο φωτεινά και σπάνια αρχαία κβάζαρ, αφήνοντας πολύ λίγα παραδείγματα για τη μελέτη του πρώιμου πληθυσμού κβάζαρ στο σύνολό του.
«Ο Ευκλείδης αλλάζει πραγματικά το παιχνίδι», είπε ο Deming. “Προηγουμένως, μπορούσαμε να βρούμε μόνο μια χούφτα πολύ φωτεινά αρχαία κβάζαρ, αλλά ο Ευκλείδης μας επιτρέπει να ψάχνουμε πολύ πιο αποτελεσματικά σε μεγάλες περιοχές του ουρανού για να συλλάβουμε πολύ πιο αμυδρό φως. Είναι ένα μοναδικό εργαλείο για το κυνήγι κβάζαρ.”
Ένα παράθυρο στα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος
Οι ερευνητές εξέτασαν πρόσφατα το δεύτερο παλαιότερο κβάζαρ στη νέα συλλογή με περισσότερες λεπτομέρειες. Βρήκαν ότι βρισκόταν μέσα σε έναν σκονισμένο, πλούσιο σε αέρια γαλαξία που υφίσταται μια βίαιη έκρηξη σχηματισμού άστρων, παρέχοντας νέες ενδείξεις για το περιβάλλον στο οποίο αναπτύχθηκαν οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες.
Αυτά τα κβάζαρ που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα προέρχονται από μια κρίσιμη περίοδο γνωστή ως Εποχή της Αναγέννησης, όταν τα πρώτα αστέρια και οι γαλαξίες ιονοποίησαν το ουδέτερο αέριο υδρογόνο που κάποτε γέμιζε το πρώιμο σύμπαν. Αυτή η εποχή διαμόρφωσε την εξέλιξη του σύμπαντος που ακολούθησε.
Από τα 31 κβάζαρ που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα, τα 14 έχουν μετατοπίσεις στο κόκκινο 7 ή μεγαλύτερες. Τα δύο παλαιότερα έχουν μετατοπίσεις στο κόκκινο 7,69 και 7,77, καθιστώντας τα τα παλαιότερα κβάζαρ που έχουν εντοπιστεί ποτέ. Βρίσκονται μόλις 13 δισεκατομμύρια έτη φωτός μακριά, φαίνεται ότι υπήρχαν κατά τα πρώτα 670 εκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος. Ξεπέρασαν επίσης το προηγούμενο ρεκόρ που είχε σημειώσει η ερευνητική ομάδα Henavir το 2021.
“Κάθε βήμα με την πάροδο του χρόνου το κάνει πιο αινιγματικό: Πώς το σύμπαν δημιούργησε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες τόσο γρήγορα;” είπε ο Χενάβι. «Βρίσκουμε μαύρες τρύπες εκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου μας όταν το σύμπαν μόλις ξεκινούσε».
Κοιτάζοντας βαθύτερα στην κοσμική ιστορία
Οι αστρονόμοι έχουν ωθήσει σταθερά στην κοσμική ιστορία μέσω ενός συνδυασμού καλύτερων τηλεσκοπίων και πιο εξελιγμένων τεχνικών αναζήτησης. Χρειάστηκε περισσότερο από μια δεκαετία για να ανακαλύψουμε περίπου τα 10 πρώτα κβάζαρ με μετατοπίσεις στο κόκκινο 7 ή περισσότερες. Ο Ευκλείδης είχε ήδη βρει περισσότερα από αυτά σε ένα χρόνο, υπερδιπλασιάζοντας τον γνωστό πληθυσμό αυτών των πολύ αρχαίων αντικειμένων.
Η μηχανική μάθηση έχει γίνει επίσης ένα ουσιαστικό μέρος της αναζήτησης. Σύμφωνα με τον Henavi, προηγμένοι αλγόριθμοι μπορούν τώρα να εξετάσουν εκατομμύρια αστρονομικές πηγές και να διακρίνουν τα λίγα γνήσια κβάζαρ από τον συντριπτικό αριθμό άστρων και γαλαξιών.
Η ομάδα του Henavi πέρασε χρόνια αναπτύσσοντας πολλούς από τους αλγόριθμους που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτές τις ανακαλύψεις. Επίσης, ηγήθηκε της ανάπτυξης του PypeIt, λογισμικού που χρησιμοποιούν αστρονόμοι σε όλο το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια για την επεξεργασία των παρατηρήσεων που συλλέγονται από το τηλεσκόπιο Keck. Με πρόσβαση σε παρατηρήσεις στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, ο Κεκ επιβεβαίωσε τα δύο τρίτα των κβάζαρ που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα, συμπεριλαμβανομένων των τριών πιο απομακρυσμένων παραδειγμάτων.
Οι ερευνητές στοχεύουν τώρα να ανακαλύψουν το πρώτο γνωστό κβάζαρ πέρα από μια ερυθρή μετατόπιση 8, που θα αποκάλυπτε ένα αντικείμενο που υπήρχε στα πρώτα 630 εκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος.
Ο Τζέιμς Γουέμπ και η Άλμα θα μελετήσουν αυτούς τους αρχαίους γίγαντες
Η εύρεση αυτών των κβάζαρ είναι μόνο η αρχή. Η ομάδα έχει ήδη εξασφαλίσει χρόνο παρατήρησης με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb για να διερευνήσει λεπτομερώς πολλά από αυτά. Οι μελλοντικές παρατηρήσεις θα μετρήσουν τη μάζα των μαύρων τρυπών τους, θα αναλύσουν τη χημεία του περιβάλλοντος αερίου και θα χρησιμοποιήσουν το φως τους για να προσδιορίσουν πώς εκτυλίχθηκε ο επαναιονισμός σε όλο το νεαρό σύμπαν.
Εν τω μεταξύ, η Συστοιχία Μεγάλων χιλιοστών Atacama θα μελετήσει τη σκόνη, το αέριο και το σχηματισμό άστρων μέσα στους γαλαξίες που φιλοξενούν αυτά τα αρχαία κβάζαρ, παρέχοντας μια σαφέστερη εικόνα του πώς εξελίχθηκαν οι πρώτοι τεράστιοι γαλαξίες.
«Το μεγαλύτερο όραμα είναι να συρράψουμε όλα αυτά σε ένα συνεκτικό χρονοδιάγραμμα», είπε ο Henavi: «ένα χρονικό των κβάζαρ των πρώτων δισεκατομμυρίων ετών».
Ο Daming Yang, ο Antoine Basset και ο Jean-Charles Quilandre του Euclid Consortium συνέβαλαν σε αυτή την ιστορία.
