a galaxis, mert a benne található nagy csillagok válnak életük végén fekete lyukká, amely aztán a környező anyagot magába szívva még nagyobb tömegű fekete lyukká növekszik.
Nehéz azonban elképzelni, hogy a Napnál több milliószor vagy több milliárdszor nagyobb tömegű fekete lyukak, amelyekből már több ezret találtunk a korai Univerzumban, hogyan tudtak apró csírákból ilyen hamar megnőni.
A csillagászok nemrég a NASA James Webb-űrtávcsövével találtak bizonyítékot arra, hogy egyes szupernagy tömegű fekete lyukak már a kezdetektől hatalmasak voltak: ezek anélkül alakultak ki, hogy átestek volna a csillagösszeomlás fázisán, és jelentős tömegű galaxis sem állt rendelkezésükre a növekedéshez.
„Figyelemre méltó felfedezés.” – mondta Roberto Maiolino (University of Cambridge), a Nature című szaklapban és a brit Királyi Csillagászati Társaság havi kiadványában megjelent tanulmány egyik szerzője. „Egy olyan paradigmaváltás, ami teljesen átírja, amit a fekete lyukak kialakulásáról és növekedéséről gondoltunk.”
A QSO1 jelű kis piros pötty
A kutatók az Abell 2744-QSO1 (QSO1) részletes megfigyeléseire alapozták vizsgálatukat. A „kis piros pöttynek” (Little Red Dot, LRD) látszó ősi galaxis már 700 millió évvel az ősrobbanás után létezett.
Bár a QSO1 csupán 1300 fényév kiterjedésű, és a fénye több mint 13 milliárd éven át utazott hozzánk, könnyebb megfigyelni, mint a többi kis piros pöttyöt, mert az Abell 2744 jelű Pandora-halmaz gravitációs lencsézéssel felnagyítja. A QSO1 nemcsak felnagyítva, de három különböző helyen is látszik az óriási halmaz erős gravitációs lencsehatásának köszönhetően.
Az első vizsgálatok megerősítették, hogy a QSO1 nem más, mint egy ragyogó hidrogén- és héliumfelhő, amely a Nap tömegénél 40 milliószor nehezebb, szupernagy tömegű fekete lyuk körül kering. Azt viszont a Webb által korábban felfedezett más fekete lyukakhoz hasonlóan nem lehetett biztosan tudni, hogy valóban ilyen hatalmas-e.
„Eddig a korai Világegyetemben található fekete lyukak tömegét csak közvetett módon lehetett mérni, és ezek a mérések azokon a feltételezéseken alapultak, amelyeket a lokális Világegyetemről szerzett ismereteinkből vezettünk le. Nem tudtuk, hogy ezek a feltételezések valóban érvényesek-e a távoli Világegyetemre.” – mondta a tanulmány társszerzője, Francesco D’Eugenio (University of Cambridge).
A gáz összetételének és sebességének feltérképezése
A kutatók rájöttek, hogy ha a QSO1 fekete lyuka valóban olyan nagy tömegű, mint amilyennek látszik, akkor a Webb-űrtávcső NIRSpec közeli infravörös spektrográfjának IFU műszerével nyomon követhetik gravitációjának hatását a körülötte kavargó gázra, miközben feltérképezhetik a gázban található különböző elemek eloszlását is.
Ignas Juodžbalis (University of Cambridge) és Cosimo Marconcini (University of Florence) egy tanulmányban számoltak be az IFU műszerrel végzett megfigyelésekről, amelyek során feltérképezték a fekete lyukat körülvevő hidrogéngáz mozgását. Amikor felvázolták a forgási sebességet a középponttól való távolság függvényében, azt találták, hogy a gáz Kepler-féle mozgást végez: úgy kering a központ körül, mint a Naprendszer bolygói a Nap körül.
„Ez azért fontos, mert megtudtuk, hogy a QSO1 tömegének nagy része a központban található fekete lyukra korlátozódik. Ha a tömeg egyenletesebben lenne elosztva, ahogy sok csillag jelenléte esetén lenne, akkor a gáz nem végezne ilyen tökéletes Kepler-féle mozgást.” – mondta Juodžbalis.
Mivel a Kepler-féle mozgást az egyszerű gravitációs törvények szabályozzák, a kutatók képesek voltak a gáz sebességének mérésével közvetlenül megállapítani a fekete lyuk tömegét – ez eddig nem volt lehetséges.
A kutatók szerint a fekete lyuk tömege nem csak hatalmas – nagyjából 50 milliószorosa a Napénak – de az QSO1 teljes tömegének legalább kétharmadát teszi ki. Ez az arány ezerszer nagyobb, mint a közeli galaxisokban, ahol a szupernagy tömegű fekete lyukak tömege is mindössze apró hányada a galaxisukénak.
Az IFU műszer mérései megerősítették ezeket az eredményeket: kimutatták, hogy az QSO1-ben található gáz szinte kizárólag hidrogénből és héliumból áll, és csak kevés olyan nehezebb elem található benne, mint az oxigén, amelyre a csillagokban és csillagmaradványokban gazdag galaxisban számítani lehetne. Fémtartalma kevesebb, mint 0,5%-a a Napénak, így az egyik legérintetlenebb galaktikus környezet, amelyet valaha vizsgáltak.
„Ez hatalmas eredmény. Ez az első közvetlen mérés egy fekete lyuk tömegéről az ősrobbanást követő első egymilliárd évből, ami ráadásul egybevág a korábbi mérésekkel.” – mondta Maiolino. A kutatók szerint ez jó jel, mert azt mutatja, hogy a közvetett tömegmérésekhez használt feltételezések helytállóak, és a korai Világegyetemben található többi fekete lyuk tömegét sem becsülték túl.
A szupernagy tömegű fekete lyukak eredete
A QSO1 galaxisához viszonyított hatalmas tömege arra utal, hogy nem fokozatosan alakulhatott ki sokkal kisebb, csillagtömegű fekete lyukak összeolvadásából és anyagbefogásából. „Úgy tűnik, olyan fekete lyukat találtunk, amelynek nincs jelentős gazdagalaxisa, amely a csillagképződési folyamatoknál korábbi keletkezésű.” – mondta Juodžbalis. „Ez nagyon izgalmas, mert bizonyíték az ősi fekete lyukakra, vagyis a közvetlen összeomlásban létrejött fekete lyukakra, amelyek létezését korábban már elméletben felvetették, de nem erősítették meg.”
Akár az ősrobbanás első másodpercében kialakult „nehéz magból”, akár valamivel később egy hatalmas gázfelhő összeomlásából keletkezett, szinte biztos, hogy már kezdetben is óriási volt, és jelenleg talán éppen egy galaxis létrehozásának korai szakaszában jár.
A kutatók úgy gondolják, hogy a QSO1-hez hasonló kis piros pöttyök nem lehettek ritkák a korai Univerzumban, és jelenleg hasonló objektumokat vizsgálnak, hogy kiderítsék, vajon a szupernagy tömegű fekete lyukak valóban megelőzték-e a galaxisokat, amelyekben jelenleg találhatók.
Forrás: https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/
Az eredményeket ismertető szakcikk: https://www.nature.com/articles/s41586-026-10579-4
Szerző: Ujhelyi Borbála, Kutatási asszisztens
CSFK Konkoly-Thege Miklós Csillagászati Intézet