הודות ליכולות המשופרות מאוד של הטלסקופים של ימינו, אסטרונומים חקרו עמוק יותר את הקוסמוס ונמצאים עוד יותר אחורה בזמן. בכך הם הצליחו לטפל בכמה תעלומות ארוכת שנים לגבי התפתחות היקום מאז המפץ הגדול. אחת התעלומות הללו היא כיצד חורים שחורים-על-מסיביים (SMBH), הממלאים תפקיד מכריע בהתפתחות הגלקסיות, נוצרו במהלך היקום הקדום.
באמצעות הטלסקופ הגדול מאוד של ה- ESO בצ'ילה, צוות בינלאומי של אסטרונומים צפה בגלקסיות כשהן הופיעו כמיליון וחצי שנה לאחר המפץ הגדול (לפני כ- 12.5 מיליארד שנה). למרבה ההפתעה, הם הבחינו במאגרים גדולים של גז מימן קריר שיכול היה לספק "מקור מזון" מספיק עבור SMBHs. תוצאות אלה יכלו להסביר כיצד צמחי SMBH גדלו כל כך מהר בתקופה הידועה בשם השחר הקוסמי.
את הצוות הובילו ד"ר אמנואלה פאולו פארינה ממכון מקס פלאנק לאסטרונומיה (MPIA) ומכון מקס פלאנק לאסטרופיזיקה (MPA). אליו הצטרפו חוקרים מ MPIA ו- MPA, מצפה הכוכבים האירופי הדרומי (ESO), UC סנטה ברברה, מצפה הכוכבים האסטרופיסי של ארקטרי, מצפה הכוכבים של אסטרופיסיקה ומדע החלל בבולוניה ומכון מקס פלאנק לפיזיקה חוצנית (MPEP).
במשך עשרות שנים חוקרים אסטרונומים SMBHs, הקיימים בבסיס מרבית הגלקסיות ומזוהים על ידי הגרעינים הפעילים הגלטיים שלהם (AGN). גרעינים אלה, המכונים גם קוואזרים, יכולים לפלוט יותר אנרגיה ואור משאר הכוכבים בגלקסיה יחד. נכון להיום, המרוחק ביותר שנצפה הוא ULAS J1342 + 0928, שנמצא 13.1 מיליארד שנות אור משם.
בהתחשב בעובדה שלפי הערכות הכוכבים הראשונים נוצרו 100,000 שנה בלבד לאחר המפץ הגדול (לפני 13.8 מיליארד שנה בערך), פירוש הדבר כי SMBHs היו צריכים להיווצר במהירות מהכוכבים הראשונים למות. אולם עד כה, אסטרונומים לא מצאו אבק וגז בכמויות מספיק גבוהות במהלך היקום הקדום כדי להסביר את הצמיחה המהירה הזו.
בנוסף, תצפיות קודמות שנערכו עם מערך אטקמה גדול מילימטר / תת-מילימטר (ALMA) חשפו כי הגלקסיות המוקדמות מכילות הרבה אבק וגז, שהניעו היווצרות כוכבים מהירה. ממצאים אלה הצביעו על כך שלא נותר הרבה חומר כדי להאכיל חורים שחורים, מה שרק העמיק את התעלומה של איך גם הם צמחו כל כך מהר.
כדי לטפל בכך, סמכו פארינה וחבריו על נתונים שנאספו על ידי מכשיר ה- MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) של VLT כדי לסקור 31 קוואזרים במרחק של כ- 12.5 מיליארד שנות אור (ובכך התבוננו איך הם נראו לפני 12.5 מיליארד שנים). זה הופך את הסקר שלהם לאחת הדגימות הגדולות ביותר של קוואזרים מהתקופה המוקדמת הזו של היקום. מה שהם מצאו היו 12 ענני מימן מורחבים וצפופים באופן מפתיע.
ענני מימן אלה זוהו על ידי הזוהר האופייני להם באור UV. בהתחשב במרחק וההשפעה של ההיסטה האדומה (במקום בו אורכי גל האור נמתח כתוצאה מהתרחבות קוסמית), טלסקופים אדומים תופסים את הזוהר כאור אדום. כפי שהסבירה פרינה בהודעה לעיתונות של MPIA:
“ההסבר הסביר ביותר לגז הזורח הוא מנגנון הקרינה. המימן ממיר את הקרינה העשירה באנרגיה של הקוואזאר לאור באורך גל מסוים, שמורגש על ידי נצנוץ.”
ענני המימן הקרירים והצפופים - שהיו פי מיליארדים ממסת השמש - יצרו הילות סביב הגלקסיות המוקדמות שהשתרעו במשך 100,000 שנות אור מהחורים השחורים המרכזיים. בדרך כלל, גילוי עננים כאלה סביב קוואזרים (שהם בהירים מאוד) הוא די קשה. אך בזכות הרגישות של מכשיר MUSE - אותו תיאר פרינה "מחליף משחק" - הצוות מצא אותם די מהר.
כפי שאליסה דרייק, חוקרת ב- MPIA שתרמה גם היא למחקר, אמרה:
“עם המחקרים הנוכחיים, אנו רק מתחילים לחקור כיצד החורים השחורים העל-מסיביים הראשונים הצליחו להתפתח כל כך מהר. אבל מכשירים חדשים כמו MUSE וטלסקופ החלל העתידי של ג'יימס ווב עוזרים לנו לפתור את הפאזלים המרגשים האלה.”
הצוות מצא כי הילות הגז הללו היו קשורות בחוזקה לגלקסיות, ומספקות את "מקור המזון" המושלם לשמירה על היווצרות כוכבים מהירה וצמיחת חורים שחורים סופר-מסיביים. תצפיות אלה פותרות למעשה את התעלומה כיצד חורים שחורים על-מסיביים יכולים להתקיים כל כך מוקדם בתולדות היקום. כפי שמסכמת זאת פרינה:
“כעת אנו יכולים להדגים, לראשונה, כי לגלקסיות קדומות יש מספיק אוכל בסביבותיהן כדי לקיים הן את צמיחת החורים השחורים העל-מסיביים והן את היווצרות הכוכבים הנמרצת.. זה מוסיף פיסת יסוד לפאזל שהאסטרונומים בונים כדי לתאר את האופן בו נוצרו מבנים קוסמיים לפני יותר מ 12 מיליארד שנה.”
בעתיד יהיו לאסטרונומים מכשירים מתוחכמים עוד יותר איתם ניתן ללמוד גלקסיות ו- SMBHs ביקום הקדום, אשר אמור לחשוף עוד יותר פרטים על ענני גז עתיקים. זה כולל את הטלסקופ הגדול ביותר של ESO (ELT), כמו גם טלסקופים מבוססי חלל כמו טלסקופ החלל ג'יימס ווב (JWST).
המחקר המתאר את ממצאי הצוות הופיע בגיליון ה- 20 בדצמבר כתב העת האסטרופיזי.
