A galaxisok szívében élő szörnyetegek
Az eddig ismert galaxisok központjában ott lapul egy szupermasszív fekete lyuk. Ezeket a kozmikus szörnyetegeket sokáig csak találgatni lehetett: hogyan keletkezhettek, és miként növekedtek ilyen hatalmasra? Az egyik régebbi elmélet szerint a szupermasszív fekete lyukak ugyanúgy születtek, mint kisebb társaik: óriáscsillagok összeomlásából, amelyek idővel összeolvadnak, anyagot kebeleznek be, és milliárdnyi év alatt egyre nagyobbra nőnek.
Bár a James Webb-űrtávcső felfedezései alapján úgy tűnik, ez a forgatókönyv már a kezdetektől ingatag volt. Az új megfigyelések szerint ugyanis már a világegyetem első milliárd évében léteztek olyan fekete lyukak, amelyek túl nagyok, és túl hamar jelentek meg ahhoz, hogy a hagyományos elméletek megmagyarázzák őket.
A kvazárok rejtélye
A 2000-es években a Sloan Digital Sky Survey tette lehetővé, hogy tízezer rendkívül fényes, úgynevezett kvazárt észleljenek – ezek óriási fekete lyukakat rejtenek galaxisuk középpontjában, amelyek hatalmas mennyiségű anyagot szívnak magukba, és intenzív sugárzást bocsátanak ki. Sok ilyen kvazár már akkor jelen volt, amikor a világegyetem mindössze 800 millió éves volt. Ezek a testek a Nap tömegének akár milliárdszorosát is elérik – a létezésük komoly fejtörést okozott a kozmológusoknak.
A hagyományos fekete lyuk-képződési elmélet – miszerint óriáscsillagok összeomlásából, majd lassú összeolvadásból növekednek ilyen hatalmasra – itt egyszerűen nem működik, mert ehhez nem állt rendelkezésre elegendő idő.
Új magyarázat: közvetlen összeomlású fekete lyukak
Az egyik mai vezető elmélet szerint a világegyetem korai szakaszában rendkívül nagy, sűrű gáz- és porfelhők omolhattak össze közvetlenül fekete lyukká, kihagyva a csillaggá alakulás lépését. Ilyen módon egyetlen lépésben keletkezhettek fekete lyukak, amelyek tömege akár egymilliószorosa lehetett a Napénak.
A James Webb-űrtávcső 2023-ban észlelte az UHZ1 nevű galaxist, amely akkor létezett, amikor a világegyetem mindössze 470 millió éves volt. A benne található fekete lyuk becsült tömege 40 millió naptömeg. Az UHZ1 infravörös és röntgensugárzásának összehasonlítása alapján az asztrofizikusok arra jutottak, hogy a fekete lyuk tömege alig marad el saját galaxisának tömegétől – ilyen jelenséget ezelőtt még soha nem láttak.
Ez a közvetlen összeomlás modelljét erősíti, amely pontosan ilyen objektumok létezésével számol. Ez azért is szenzációs, mert a kutatók korábban megjósolták, hogy ha a JWST ilyen fekete lyukakat megfigyel, éppen ilyen méréseket kapunk majd.
Piros pöttyök: újabb rejtélyes objektumok
Az UHZ1 nem magányos eset. A JWST működése óta rendszeresen találnak apró, kompakt, vörös objektumokat – ezeket „kis piros pöttyöknek” nevezték el. Eleinte túl nagynak tűntek ahhoz, hogy ilyen korán kialakuljanak, ezért többen az univerzum történetének „felforgatóinak” tartották őket, amelyek felborítják a bevett modelleket. A jelenlegi konszenzus azonban kezd afelé hajlani, hogy ezek valójában bizarr, hatalmas fekete lyukak, és nem óriási, csillagokkal teli galaxisok.
A QSO1 nevű objektum például egy 50 millió naptömegű fekete lyukat tartalmaz, ám szinte semmilyen más csillagkomponens nem látszik mellette. Olyan, mintha gigászi fekete lyukak léteznének galaxis nélkül – erre eddig csak elméleti alapon gondoltak, de most a JWST valós példákat is hozott.
Egy másik, „The Cliff” nevű objektum valószínűleg több milliárd naptömegű, és kb. 1,8 milliárd évvel az ősrobbanás után keletkezett. Mérései arra utalnak, hogy megfelel a kvázi-csillag (quasi-star) vagy „fekete lyuk csillag” modellnek: gigászi gázburkon belül sugárzó fekete lyuk, amely kívülről vörös óriásnak tűnik.
Primitív és közvetlen összeomlású fekete lyukak
Bár a közvetlen összeomlás elmélete számos új felfedezést képes magyarázni, egy másik elképzelés szerint már az ősrobbanás utáni első másodpercekben is képződhettek úgynevezett „primitív” (primordiális) fekete lyukak, amikor extrém sűrű régiók saját tömegük alatt zuhantak össze. Ezek lehettek olyan kezdeti „magvak”, amelyekből később a szupermasszív fekete lyukak alakultak ki.
Egy példában az Infinity galaxist sikerült megmagyarázni ezek összeolvadásával – ez az objektum 400 millió évvel az ősrobbanás után már egy 2 millió naptömegű fekete lyukat rejt.
A kutatók ezzel együtt arra jutottak, hogy minden valószínűség szerint nem egyetlen mechanizmus, hanem e különböző modellek kombinációja felelős a szupermasszív fekete lyukak teljes populációjáért.
Új küldetések, új remények
A jövőben az Európai Űrügynökség Euclid obszervatóriuma, valamint a NASA Roman űrtávcsöve (indítás: 2027) is segíteni fogják a JWST-t a korai szupermasszív fekete lyukak vadászatában. Várható, hogy a következő években világosabbá válik, melyik keletkezési útvonal dominál ezeknél a gigászi objektumoknál.
Abban a legtöbb csillagász már biztos: a galaxisok szívében ülő szupermasszív fekete lyukak története nem egészen az, aminek korábban tartottuk. Az MI és a JWST hihetetlen precizitásának köszönhetően az univerzum egyik legnagyobb titka most kezd feltárulni előttünk.
Ahogy Priyamvada Natarajan fogalmazott: „Az univerzum tele van szupermasszív fekete lyukakkal, amelyek elképesztően korán alakulnak ki – ennél izgalmasabb aligha lehetne a kozmológia jelenleg!”
