Nykypäivän teleskooppien huomattavasti parantuneiden ominaisuuksien ansiosta tähtitieteilijät ovat etsineet syvemmälle kosmokseen ja kauemmas taaksepäin. Näin tehdessään he ovat kyenneet käsittelemään joitain pitkäaikaisia mysteerejä siitä, kuinka maailmankaikkeus on kehittynyt Ison räjähdyksen jälkeen. Yksi näistä mysteereistä on kuinka supermassiiviset mustat aukot (SMBH), joilla on ratkaiseva merkitys galaksien evoluutiossa, muodostuivat varhaisen maailmankaikkeuden aikana.
Kansainvälinen tähtitieteilijäryhmä havaitsi ESOn erittäin suurta kaukoputkea (VLT) Chilessä galakseja ilmestyessä noin 1,5 miljardia vuotta Ison räjähdyksen jälkeen (noin 12,5 miljardia vuotta sitten). Yllättäen he havaitsivat suuria viileän vetykaasusäiliöitä, jotka olisivat voineet tarjota riittävän ”ruoan lähteen” SMBH: lle. Nämä tulokset voisivat selittää, kuinka SMBH: t kasvoivat niin nopeasti koko kosmisen valkeuden ajanjaksolla.
Ryhmää johti tri Emanuele Paolo Farina Max Planckin tähtitieteen instituutista (MPIA) ja Max Planckin astrofysiikan instituutista (MPA). Hänen kanssaan liittyivät tutkijat sekä MPIA: sta että MPA: sta, Euroopan eteläisen observatorion (ESO), UC: n Santa Barbarasta, Arcetri-astrofysiikan observatoriosta, Bolognan astrofysiikan ja avaruustutkimuksen observatoriosta sekä Max Planckin Maa-alueen fysiikan instituutista (MPEP).
Tähtitieteilijät ovat vuosikymmenien ajan tutkineet SMBH: ita, joita on useimpien galaksien ytimessä ja jotka tunnistetaan niiden aktiivisella galatillisella ytimellä (AGN). Nämä ytimet, joita kutsutaan myös kvaasareiksi, voivat emittoida enemmän energiaa ja valoa kuin muut galaksin tähdet yhdessä. Tähän päivään mennessä kauimpana havaittu on ULAS J1342 + 0928, joka sijaitsee 13,1 miljardin valovuoden päässä.
Kun otetaan huomioon, että ensimmäisten tähtien arvioidaan muodostuvan vain 100 000 vuotta Ison räjähdyksen jälkeen (noin 13,8 miljardia vuotta sitten), tämä tarkoittaa, että SMBH: n piti olla muodostunut nopeasti ensimmäisistä tähdet kuolemaan. Tähän asti tähtitieteilijät eivät kuitenkaan olleet löytäneet pölyä ja kaasua riittävän suurina määrinä varhaisen maailmankaikkeuden aikana selittääkseen tätä nopeaa kasvua.
Lisäksi aikaisemmat havainnot, jotka tehtiin Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) -yksiköllä, paljastivat, että varhaisissa galakseissa oli paljon pölyä ja kaasua, mikä auttoi tähtien nopeaa muodostumista. Nämä havainnot osoittivat, että mustien reikien ruokkimiseen ei olisi jäänyt paljon materiaalia, mikä vain syvensi salaperäisyyttä siitä, kuinka nekin kasvoivat niin nopeasti.
Tämän ratkaisemiseksi Farina ja hänen kollegansa vetoivat VLT: n Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) -instrumentin keräämiin tietoihin tutkiakseen 31 kvasaria noin 12,5 miljardin valovuoden etäisyydellä (tarkkailemalla siten miltä ne näyttivät 12,5 miljardia vuotta sitten). Tämä tekee heidän tutkimuksestaan yhden suurimmista kvasaarinäytteistä tästä universumin varhaisesta jaksosta. He löysivät 12 pidennettyä ja yllättävän tiheää vetypilviä.
Nämä vetypilvet tunnistettiin niiden ominaisen hehkua ultraviolettivalossa. Kun otetaan huomioon etäisyys ja punaisen siirtymän vaikutus (kun valon aallonpituus venyy kosmisen laajentumisen vuoksi), maanpäälliset teleskoopit havaitsevat hehkuuden punaisena valona. Kuten Farina selitti MPIA: n lehdistötiedotteessa:
“Todennäköisin selitys loistavalle kaasulle on fluoresenssimekanismi. Vety muuntaa kvaasarin energiarikkaan säteilyn valoksi, jolla on tietty aallonpituus, jonka kimaltaja havaitsee.”
Viileän, tiheän vedyn pilvet - jotka olivat useita miljardia kertaa Auringon massa - muodostivat halooja varhaisten galaksien ympärille, jotka ulottuivat 100 000 valovuotta keskimmäisistä mustista reikistä. Tavallisesti tällaisten pilvien havaitseminen kvaasarien (jotka ovat voimakkaasti kirkkaita) ympärillä on melko vaikeaa. Mutta MUSE-instrumentin herkkyyden ansiosta - jota Farina kuvasi “pelinvaihtajaksi” - joukkue löysi ne melko nopeasti.
Kuten tutkimukseen osallistuneen MPIA: n tutkija Alyssa Drake sanoi:
“Nykyisissä tutkimuksissa olemme vasta vasta tutkittamassa, kuinka ensimmäiset supermassiiviset mustat aukot pystyivät kehittymään niin nopeasti. Mutta uudet instrumentit, kuten MUSE ja tuleva James Webb Space Telescope, auttavat meitä ratkaisemaan nämä jännittävät palapelit.”
Ryhmä havaitsi, että nämä kaasuhalogeenit olivat tiukasti sitoutuneina galakseihin tarjoamalla täydellisen “ruoan lähteen” sekä nopean tähten muodostumisen että supermassiivisten mustien reikien kasvun ylläpitämiseksi. Nämä havainnot ratkaisevat tehokkaasti mysteerin siitä, kuinka supermassiiviset mustat aukot voisivat olla olemassa niin varhain universumin historiassa. Kuten Farina tiivistää sen:
“Pystymme nyt osoittamaan ensimmäistä kertaa, että alkuperäisillä galakseilla on ympäristössään tarpeeksi ruokaa ylläpitää sekä supermassiivisten mustien reikien kasvua että voimakasta tähtien muodostumista. Tämä lisää perustavanlaatuisen palapelin, jonka tähtitieteilijät rakentavat kuvatakseen kuinka kosmiset rakenteet muodostuivat yli 12 miljardia vuotta sitten.”
Tulevaisuudessa tähtitieteilijöillä on vieläkin hienostuneempia instrumentteja galaksien ja SMBH: ien tutkimiseen varhaisessa maailmankaikkeudessa. Niiden tulisi paljastaa vielä enemmän yksityiskohtia muinaisista kaasupilvistä. Tähän sisältyy ESO: n erittäin suuri kaukoputki (ELT) sekä avaruuspohjaiset kaukoputket, kuten James Webbin avaruusteleskooppi (JWST).
Ryhmän havaintoja kuvaava tutkimus ilmestyi 20. joulukuuta ilmestyvässä lehdessä The Astrophysical Journal.
