A galaxisok kialakulása az űrteleszkóp négy fő tudományos témájának egyike, és amikor megfigyelte az Univerzum első galaxisait, egy rejtélyre bukkant. Néhányuk központjában szupernagy tömegű fekete lyukak (SMBH) találhatóak, amelyek aktív galaxismagokat (AGN) táplálnak. Azonban nem bocsátanak ki röntgensugarakat, ami pedig az aktív galaxismagok egyik fő jellegzetessége.
A Kis Vörös Pöttyök (Little Red Dot, LRD) kicsi, vörös galaxisok, amelyek az ősrobbanás után kb. 600 millió évvel alakultak ki. A JWST több mint 300-at talált belőlük, de ezek együttesen továbbra is rejtélyek maradtak. Fényességük azt jelzi, hogy nagy tömegűek és több csillagot tartalmaznak, mint amennyit ilyen fiatal korú galaxisoktól várnánk. A modellek szerint nem telt el elég idő ahhoz, hogy ilyen hatalmassá nőjenek.
A csillagászok később felfedezték az AGN jegyeket, amelyek megmagyarázhatnák a többletfényt, vagyis az LRD-k többletfénye nem csak a csillagoktól, hanem a központi aktív galaxismagtól is származott. Ez azt jelentené, hogy az LRD-knek nem kell olyan nagy tömegűeknek lenniük ahhoz, hogy ennyi fényt bocsássanak ki, ezáltal méretük nem kérdőjelezné meg a galaxisokre vonatkozó fejlődési modelleket.
Azonban sajnos ez a lehetséges következtetés egy másik problémát vet fel. Az AGN-ek erős röntgensugarakat bocsátanak ki, amikor az akkréciós korongjaikban keringő anyag felhevül. Egy új, Andrea Sacchi és Bogdán Ákos (Harvard and Smithsonian Centers) vezetésével végzett kutatás szerint azonban úgy tűnik, hogy az LRD-k egyáltalán nem bocsátanak ki röntgensugarakat.
„Az LRD-k kulcsfontosságú jellemzője, hogy a rendkívüli röntgen-gyengeségük: az egyedi és egymásra halmozott források elemzései nem mutattak ki röntgenjelet, vagy csak bizonytalan, nem meggyőző röntgenjeleket adtak, néhány egyedi esettől eltekintve" - írják a szerzők.
A röntgensugarak hiánya mindent visszafordít. Ha nincsenek röntgensugarak, akkor nem lehetnek aktív galaxismagok tömegbefogási korongokkal. Ha nincsenek akkréciós korongok, akkor az LRD-k erős fényessége nem származhat a legbelül rejtőző szupernagy tömegű fekete lyuktól. Ha viszont ez nem megy, akkor erős sugárzásuknak a csillagoktól kell származnia. Ebben az esetben meg visszajutunk a kiindulóponthoz, meg kell magyaráznunk, hogyan lehettek a korai galaxisok olyan nagy tömegűek és csillagokkal telítettek.
Néhány kutató más megoldást javasolt. Azt tételezik fel, hogy a központi fekete lyukak ún. szuper-Eddington-akkréciós rátával nyelhetik be az anyagot, azaz az óriás fekete lyukak tömegbefogása akár átlépheti az Eddington-határt. Az Eddington-határ az asztrofizika azon alapvető fogalma, amely megmagyarázza az asztrofizikai objektumok, mint az SMBH-k maximális fényességét és akkréciós sebességét. Egy objektum akkor éri el az Eddington-határt, amikor két erő egyensúlyban van: a kifelé irányuló sugárzás nyomása és a befelé irányuló gravitáció. Ha e két erő egyike túl erős, az objektum vagy kilöki külső rétegeit, vagy leállítja a további akkréciót.
Habár az Eddington-határ befolyásolja az SMBH-k növekedését, az asztrofizikusok egy ún. szuper-Eddington-akkréciót javasoltak, hogy megmagyarázzák, hogyan váltak ezek az objektumok olyan nagy tömegűvé olyan korán az Univerzumban. Ez alapján az objektumok időszakosan túlléphetik az Eddington-határt és szuper-Eddington-akkréciót tapasztalhatnak. Ez vajon megmagyarázhatja, hogy az LRD-k miért olyan fényesek, miközben olyan gyengék röntgensugárzásban?
A szerzők rámutatnak, hogy a röntgensugarak hiányának egyetlen másik magyarázata az elfedés lehet, azonban ez a magyarázat sem állja meg a helyét.
„Mivel a legvalószínűbb magyarázatot, az erős elfedést a JWST spektroszkópiai bizonyítékai nem támogatják, több szerző is azt javasolta, hogy az LRD-k röntgen-gyengesége a szuper-Eddington-akkréciós rátájának köszönhetően belső eredetű" - írják a szerzők. „Ebben a munkában ezt a forgatókönyvet teszteljük úgy, hogy a Chandra Deep Field South területén lévő 55 LRD röntgenadatait gyűjtöttük össze, így a teljes expozíciós idő közel 400 Ms."
A 400 megaszekundum az 55 LRD összesített megfigyelési ideje, nem a teleszkóp teljes megfigyelési ideje. Ez lenyűgöző mélységű megfigyelés az 55 objektum esetében. Ha szuper-Eddington-akkréció történne, az megmagyarázná a röntgensugarak hiányát.
A szuper-Eddington-akkréció továbbra is röntgensugarakat hoz létre, azonban ezek a fotonok csapdába eshetnek az akkréciós áramlásban. Elnyelődhetnek, a kiáramlások és szelek szétszórhatják őket, vagy elfedheti őket az SMBH körüli vastag korong vagy burok. A jelenlegi modellek azt mutatják, hogy a szuper-Eddington-akkréció még mindig bocsát ki röntgensugarakat, de alacsonyabb energiájú lágy röntgensugarakat. A 400 megaszekundumnyi halmozott röntgenmegfigyelésnek ezt észlelnie kellett volna. Azonban nem tették.
„Annak ellenére, hogy példátlan mélységű röntgenfelvételt értünk el, még mindig nem mutatnak ki semmit" - írják a szerzők. „A megfelelő felső határértékek elég mélyek ahhoz, hogy kizárják a jelenlegi szuper-Eddington akkréciós modelleket, és csak rendkívül magas szintű fedéssel lehetnének összeegyeztethetők."
A szerzők szerint csak egy magyarázat marad: „Az LRD-k röntgen-gyengeségének magyarázatához ezért azt feltételezzük, hogy ezekben a rendszerekben az SMBH-k sem nem olyan nagy tömegűek, sem nem olyan fényesek, mint jelenleg hisszük." Más kutatók is javasolták már ezt.
Tehát mi történik, ha a megfigyelések nem mutatnak röntgensugarakat, és ha a JWST azt mutatja, hogy a por okozta eltakarás sem lehet felelős?
„Ha a teljes kibocsátott fényességeket egy nagyságrenddel túlbecsüljük, akkor jóval alacsonyabb szintű elfedés is elrejtheti a tömegbefogó SMBH-k röntgensugárzását anélkül, hogy szuper-Eddington akkrekcióra hivatkoznunk kellene" - következtetik a szerzők.
A JWST beváltotta ígéretét azzal, hogy feltárta az Univerzum legkorábbi galaxisait. Az, hogy az eredmények ellentmondanak modelljeinknek, nem meglepő. Minden új küldetés és teleszkóp hoz néhány meglepetést, és a tudósok gyakran meglepő eredményeket várnak. Egyelőre az LRD galaxisok magyarázat nélkül maradnak. Sőt, a rejtély még mélyebb lett.
A cikk forrása: https://www.universetoday.com/articles/the-deepening-mystery-around-the-jwsts-early-galaxies
Szerző: Derekas Aliz, Tudományos főmunkatárs
ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatórium