Muutaman viime vuosikymmenen aikana tähtitieteilijät ovat voineet katsoa kauemmas maailmankaikkeuteen (ja myös ajassa taaksepäin), melkein maailmankaikkeuden alkuun asti. Näin tehdessään he ovat oppineet paljon joistakin maailmankaikkeuden varhaisimmista galakseista ja niiden myöhemmästä evoluutiosta. Jotkut asiat ovat kuitenkin edelleen raja-arvoisia, kuten esimerkiksi kun galaksit, joissa oli supermassiivisia mustia aukkoja (SMBH) ja massiivisia suihkukoneita, ilmestyivät ensimmäistä kertaa.
Kansainvälisen edistyneiden korkeakoulujen (SISSA) ja ryhmän tähtitieteilijöiden Japanista ja Taiwanista saatujen uusien tutkimusten mukaan saadaan uutta tietoa siitä, kuinka supermassiiviset mustat aukot alkoivat muodostua vain 800 miljoonaa vuotta Ison räjähdyksen jälkeen ja relativistiset suihkukoneet alle 2 miljardia vuotta jälkeen. Nämä tulokset ovat osa kasvavaa tapausta, joka osoittaa kuinka massiiviset esineet universumissamme muodostuivat nopeammin kuin luulimme.
Tähtitieteilijät ovat tietäneet SMBH: sta jo yli puoli vuosisataa. Ajan myötä he ymmärsivät, että useimmissa massiivisissa galakseissa (mukaan lukien Linnunrata) on ne ytimessä. Heidän roolia galaksien evoluutiossa on myös tutkittu, ja nykyajan tähtitieteilijät ovat todenneet, että ne liittyvät suoraan tähtiä muodostuvaan määrään galakseissa.
Samoin tähtitieteilijät ovat havainneet, että SMBH: n ympärillä on tiukkoja erityslevyjä, joissa kaasu ja pöly kiihdytetään lähellä valonopeutta. Tämän vuoksi joidenkin galaksien keskusta muuttuu niin kirkkaaksi - joita kutsutaan aktiivisiksi galaktisiksi ytimiksi (AGN: t) - että ne ylittävät levyjensä tähdet. Joissain tapauksissa nämä lisäyslevyt johtavat myös kuuman materiaalin suihkuihin, jotka voidaan nähdä miljardien valovuosien päässä.
Perinteisten mallien mukaan galakseilla ei ollut tarpeeksi aikaa kehittää mustia reikiä, kun maailmankaikkeus oli alle miljardin vuoden ikäinen (noin 13 miljardia vuotta sitten). Viimeaikaiset havainnot ovat kuitenkin osoittaneet, että mustia reikiä oli muodostumassa jo tuolloin galaksien keskelle. Tämän ratkaisemiseksi SISSA: n tutkijoiden ryhmä ehdotti uutta mallia, joka tarjoaa mahdollisen selityksen.
Lumen Bocon johdolla suoritettua tutkimusta varten - tohtori. opiskelija Universumin perustavan fysiikan instituutista (IFPU) - ryhmä aloitti tunnetun tosiasian kanssa, että SMBH: t kasvavat varhaisten galaksien keskusalueilla. Näillä objekteilla, nykyään elliptisten galaksien esiintyjillä, oli erittäin korkea kaasupitoisuus ja erittäin voimakas nopeus uusien tähtien muodostumiseen.
Ensimmäiset tähtien sukupolvet näissä galakseissa olivat lyhytaikaisia ja kehittyivät nopeasti mustiksi reikiksi, jotka olivat suhteellisen pieniä, mutta merkittäviä lukumäärällä. Niitä ympäröivä tiheä kaasu aiheutti merkittävän dynaamisen kitkan ja sai ne muuttumaan nopeasti galaksin keskustaan. Siellä he sulautuivat luomaan supermassiivisten mustien reikien siemenet - jotka kasvoivat hitaasti ajan myötä.
Kuten tutkimusryhmä selitti viimeisimmässä SISS-lehdistötiedotteessa:
”Klassisten teorioiden mukaan supermassiivinen musta aukko kasvaa galaksin keskipisteessä, joka vangitsee ympäröivän aineen, pääasiassa kaasun,“ kasvattaa ”sitä itselleen ja lopulta vierii sen massassa suhteessa rytmissä. Tästä syystä sen kehityksen alkuvaiheissa, kun mustan aukon massa on pieni, kasvu on hyvin hidasta. Sikäli kuin laskelmien mukaan saavutetaan havaittu massa, miljardeja kertoja aurinkoon nähden, tarvitaan erittäin pitkä aika, jopa suurempi kuin nuoren maailmankaikkeuden ikä. "
Heidän kehittämä alkuperäinen matemaattinen malli osoitti kuitenkin, että keskeisten mustien reikien muodostumisprosessi voi olla erittäin nopea sen alkuvaiheissa. Tämä ei vain selitä SMBH-siementen olemassaoloa varhaisessa maailmankaikkeudessa, vaan myös sovittaa niiden kasvun ajoituksen maailmankaikkeuden tunnettuun ikään.
Lyhyesti sanottuna heidän tutkimuksensa osoitti, että varhaisten mustien reikien muuttumis- ja sulautumisprosessit voivat johtaa SMBH-siementen luomiseen 10 000 - 100 000 aurinkomassasta vain 50–100 miljoonaan vuoteen. Kuten ryhmä selitti:
"Keskimmäisen mustan aukon kasvu edellä mainitun standarditeorian mukaisen suoran kaasun lisääntymisen myötä tulee erittäin nopeaksi, koska kaasumäärä, jonka se onnistuu houkuttelemaan ja absorboimaan, tulee valtavaksi, ja hallitseva ehdottamamme prosessin. Siitä huolimatta, juuri se tosiasia, että aloitamme niin suurelta siemeneltä, kuten mekanismimme suunnittelee, nopeuttaa supermassiivisen mustan aukon maailmanlaajuista kasvua ja sallii sen muodostumisen myös Nuoressa maailmankaikkeudessa. Lyhyesti sanottuna, tämän teorian valossa voimme todeta, että 800 miljoonan vuoden kuluttua Isosta räjähdyksestä supermassiiviset mustat aukot voisivat jo asuttaa kosmoksen. ”
Havaittujen SMBH-siementen toimintamallin ehdottamisen lisäksi ryhmä ehdotti myös menetelmää sen testaamiseksi. Yhtäältä on olemassa gravitaatioaaltoja, joita nämä fuusiot aiheuttavat, jotka voitaisiin tunnistaa gravitaatioaaltoilmaisimilla, kuten Advanced LIGO / Virgo, ja joille olisi tunnusomaista tulevaisuuden Einsteinin kaukoputki.
Lisäksi SMBH: n myöhemmät kehitysvaiheet ovat jotain, jota voitaisiin tutkia esimerkiksi ESA: n laserinterferometriavaruuden antennilla (LISA), jonka odotetaan käynnistyvän noin vuonna 2034. Samalla tavoin toinen astronomiryhmä käytti äskettäin Atacamaa. Suuri millimetrin / submillimetrinen ryhmä (ALMA) käsittelemään toista galakseja koskevaa mysteeriä, minkä vuoksi joillakin on suihkukoneita, toisilla ei.
Nämä nopeasti liikkuvat ionisoidun aineen virrat, jotka kulkevat relativistisilla nopeuksilla (murto-osa valon nopeudesta), on havaittu lähtevän joidenkin galaksien keskustasta. Nämä suihkukoneet on kytketty galaksin tähtien muodostumisnopeuteen tavasta, jolla ne karkottavat ainetta, joka muuten romahtaa muodostaen uusia tähtiä. Toisin sanoen näillä suihkulla on merkitys galaksien evoluutiossa, aivan kuten SMBH: t.
Tästä syystä tähtitieteilijät ovat pyrkineet oppimaan lisää siitä, kuinka mustien reikien suihkut ja kaasumaiset pilvet ovat olleet vuorovaikutuksessa ajan myötä. Valitettavasti tällaista vuorovaikutusta on ollut vaikea tarkkailla varhaisen maailmankaikkeuden aikana. Käyttämällä Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) -ryhmää tähtitieteilijöiden ryhmä onnistui saamaan ensimmäisen erotetun kuvan häiriintyneistä kaasupilvistä, jotka tulevat hyvin kaukaisesta kvaasarista.
Kindain yliopiston professori Kaiki Taro Inoue'n johtama tutkimusta, joka kuvaa heidän havaintojaan, ilmestyi äskettäin Astrofysikaaliset lehdenkirjeet. Kuten Inoue ja hänen kollegansa selittivät, ALMA-tiedot paljastivat nuoria bipolaarisia suihkukoneita, jotka ovat peräisin MG J0414 + 0534: sta, kvasaarista, joka sijaitsee suunnilleen 11 miljardin valovuoden päässä maasta. Nämä havainnot osoittavat, että galaksit, joissa oli SMBH: ta ja suihkukoneita, oli olemassa, kun iso räjähdys oli alle 3 miljardia vuotta vanha.
ALMA: n lisäksi joukkue luottaa tekniikkaan, joka tunnetaan nimellä gravitaatiolinssi, jossa väliintulon galaksin painovoima suurentaa kaukaisesta esineestä tulevaa valoa. Tämän "kosmisen kaukoputken" ja ALMA: n korkean resoluution ansiosta joukkue pystyi tarkkailemaan MG J0414 + 0534: n ympärillä häiriintyviä kaasupilviä ja määrittämään, että ne aiheuttivat nuoria suihkukoneita, jotka ovat lähteneet SMBH: sta galaksin keskellä.
Kuten Japanin kansallisen tähtitieteellisen observatorion / SOKENDAI -projektin apulaisprofessori Kouichiro Nakanishi selitti ALMA: n lehdistötiedotteessa:
Yhdistämällä tämä kosminen kaukoputki ja ALMA: n korkearesoluutioiset havainnot saaimme poikkeuksellisen terävän näkökyvyn, joka on 9000 kertaa parempi kuin ihmisen näkö. Tällä erittäin korkealla resoluutiolla pystyimme saamaan aikaan kaasumaisten pilvien jakautumisen ja liikkeen suihkuttavasta mustasta reiästä purkautuvien suihkujen ympärillä. "
Nämä havainnot osoittivat myös, että kaasu osui siihen kohtaan, jossa se seurasi suihkujen suuntaa, aiheuttaen hiukkasten liikkumisen kiivaasti ja kiihtyvän nopeuteen jopa 600 km / s (370 mps). Lisäksi nämä vaikuttivat kaasumaisiin pilviin ja itse suihkukoneet olivat paljon pienempiä kuin tämän ikäisen tyypillisen galaksin koko.
Tästä lähtien ryhmä päätteli olevansa todistamassa suihkukoneiden evoluution hyvin varhaisessa vaiheessa MG J0414 + 0534-galaksissa. Jos totta, nämä havainnot antoivat ryhmälle todistaa avainasemassa tapahtuvaa evoluutioprosessia galakseissa varhaisen maailmankaikkeuden aikana. Kuten Inoue teki tiivistelmän:
”MG J0414 + 0534 on erinomainen esimerkki suihkukoneiden nuoruuden takia. Löysimme todistavia todisteita suihkukoneiden ja kaasumaisten pilvien välisestä merkittävästä vuorovaikutuksesta jopa suihkukoneiden hyvin varhaisessa evoluutiovaiheessa. Uskon, että löytömme valmistaa tietä paremmalle ymmärtämiselle galaksien evoluutioprosessista varhaisessa maailmankaikkeudessa. "
Yhdessä nämä tutkimukset osoittavat, että kaksi universumin tehokkaimmista tähtitieteellisistä ilmiöistä syntyi odotettua aikaisemmin. Tämä löytö antaa myös tähtitieteilijöille mahdollisuuden tutkia kuinka nämä ilmiöt kehittyivät ajan myötä ja mikä rooli heillä oli maailmankaikkeuden evoluutiossa.
