בעשורים האחרונים האסטרונומים הצליחו להביט רחוק יותר ביקום (וגם אחורה בזמן), כמעט עד ראשיתו של היקום. בכך הם למדו רבות על כמה מהגלקסיות המוקדמות ביקום ועל ההתפתחות שלהן. עם זאת, ישנם עדיין כמה דברים שעדיין מחוץ לתחום, כמו למשל הופיעו לראשונה גלקסיות עם חורים שחורים סופר-מסיביים (SMBH) ומטוסים מסיביים.
על פי מחקרים שנערכו לאחרונה מבית הספר הבינלאומי ללימודים מתקדמים (SISSA) וצוות אסטרונומים מיפן וטייוואן מספקים תובנה חדשה כיצד החורים השחורים העל-מאסיביים החלו להיווצר רק 800 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול, ומטוסים רלטיביים פחות משני מיליארד שנה. לאחר. תוצאות אלה הן חלק ממקרה הולך וגובר שמראה כיצד עצמים מאסיביים ביקום שלנו נוצרו מוקדם מכפי שחשבנו.
אסטרונומים ידעו על smbs במשך למעלה מחצי מאה. עם הזמן הם הבינו כי הגלקסיות המסיביות ביותר (כולל שביל החלב) מצויות אותן בליבותיהן. התפקיד שהם ממלאים בהתפתחות הגלקסיות היה גם נושא המחקר, כאשר אסטרונומים מודרניים הגיעו למסקנה כי הם קשורים ישירות לקצב היווצרות הכוכבים בגלקסיות.
באופן דומה, אסטרונומים גילו כי ל- SMBH יש דיסקי העטה הדוקים סביבם, שם מואצים גז ואבק לקרוב למהירות האור. זה גורם למרכז של כמה גלקסיות להיות כה בהיר - מה שמכונה גרעינים גלקטיים פעילים (AGNs) - שהם מגלים את הכוכבים בדיסקיהם. בחלק מהמקרים, דיסקי ההקרדה הללו מובילים גם למטוסי חומר חם שאפשר לראות ממיליארדי שנות אור משם.
על פי דגמים קונבנציונליים, לגלקסיות לא היה מספיק זמן לפתח חורים שחורים מרכזיים כאשר היקום היה בן פחות ממיליארד שנה (לפני 13 מיליארד שנה). עם זאת, תצפיות אחרונות הראו כי חורים שחורים כבר נוצרו במרכז הגלקסיות באותה העת. בהתייחס לכך, הציע צוות מדענים מ- SISSA מודל חדש המציע הסבר אפשרי.
עבור המחקר שלהם, שהובל על ידי לומן בוקו - דוקטורט. סטודנטית מהמכון לפיזיקה בסיסית של היקום (IFPU) - הצוות התחיל עם העובדה הידועה כי SMBHs גדלים באזורים המרכזיים של גלקסיות מוקדמות. לאובייקטים אלה, אביהם של גלקסיות אליפטיות כיום, היה ריכוז מאוד גבוה של גז וקצב אינטנסיבי ביותר של היווצרות כוכבים חדשה.
הדורות הראשונים של הכוכבים בגלקסיות אלה היו קצרי מועד והתפתחו במהירות לחורים שחורים שהיו קטנים יחסית, אך משמעותיים במספרם. הגז הצפוף שהקיף אותם הוביל לחיכוך דינאמי משמעותי וגרם להם לנדוד במהירות למרכז הגלקסיה. כאן הם התמזגו כדי ליצור זרעים של חורים שחורים סופר-מסיביים - שצומחו אט אט עם הזמן.
כפי שהסביר צוות המחקר בהודעה לעיתונות האחרונה של SISS:
"על פי התיאוריות הקלאסיות, חור שחור-מסיבי צומח במרכז הגלקסיה הלוכד את החומר שמסביב, בעיקר גז," מגדל אותו "על עצמו ולבסוף טורף אותו בקצב שהוא פרופורציונלי למסה שלו. מסיבה זו, במהלך השלבים הראשונים להתפתחותו, כאשר מסת החור השחור קטנה, הצמיחה איטית מאוד. עד כדי כך, על פי החישובים, להגיע למסה שנצפתה, מיליארדי פעמים מזו של השמש, נדרש זמן רב מאוד, אפילו גדול יותר מגיל היקום הצעיר. "
עם זאת, המודל המתמטי המקורי שפיתחו הראה שתהליך ההיווצרות של חורים שחורים מרכזיים יכול להיות מהיר מאוד בשלביו הראשוניים. זה לא רק מציע הסבר לקיומם של זרעי SMBH ביקום המוקדם, אלא גם מיישבים את עיתוי צמיחתם עם עידן היקום הידוע.
בקיצור, המחקר שלהם הראה שתהליך הנדידה והמיזוג של חורים שחורים מוקדמים יכולים להוביל ליצירת זרע SMBH של 10,000 עד 100,000 מסות שמש בתוך 50-100 מיליון שנה בלבד. כפי שהסביר הצוות:
"[ג] צמיחת החור השחור המרכזי על פי ההצטברות הישירה האמורה של הגז, שנצפה על ידי התיאוריה הסטנדרטית, תהפוך להיות מהירה מאוד, מכיוון שכמות הגז שתצליח למשוך וספיגה תהפוך עצומה ושולטת על התהליך שאנו מציעים. אף על פי כן, דווקא העובדה שהתחלנו מזרע כה גדול כפי שנחזה על ידי המנגנון שלנו מזרז את הצמיחה העולמית של החור השחור העל-מאסיבי ומאפשר את התהוותו, גם ביקום הצעיר. בקיצור, לאור תיאוריה זו, אנו יכולים לקבוע כי 800 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול החורים השחורים העל-מסיביים כבר יכלו לאכלס את הקוסמוס. "
בנוסף להצעה של מודל עבודה לזרעי SMBH שנצפו, הציע הצוות גם שיטה לבדיקתו. מצד אחד ישנם גלי הכבידה שהמיזוגים הללו יגרמו, וניתן יהיה לזהותם באמצעות גלאי גלי כבידה כמו Advanced LIGO / Virgo המתאפיינים בטלסקופ איינשטיין העתידי.
בנוסף, שלבי הפיתוח הבאים של SMBHs הם דבר שניתן לחקור על ידי משימות כמו אנטנת החלל הלייזר של ה- ESA (LISA) שצפויה להשיק בסביבות שנת 2034. ברוח דומה, צוות אחר של אסטרונומים השתמש לאחרונה באטאקמה מערך מילימטר / תת-מטר גדול (ALMA) כדי לטפל בתעלומה נוספת בנושא הגלקסיות, וזו הסיבה שבחלקם יש מטוסים ואחרים אינם.
זרמים מהירים של חומר מיונן שנעים במהירות המהירה יחסית (שבריר ממהירות האור) נצפו במרכזם של כמה גלקסיות. מטוסים אלה נקשרו לשיעור היווצרות הכוכבים של הגלקסיה בגלל הדרך בה הם גורשים חומר שיכול לקרוס לכדי יצירת כוכבים חדשים. במילים אחרות, מטוסים אלו ממלאים תפקיד בהתפתחות הגלקסיות, בדומה ל- SMBH.
מסיבה זו, אסטרונומים ניסו ללמוד יותר על האופן שבו מטוסי חור שחור ועננים גזים קיימים אינטראקציה לאורך זמן. למרבה הצער, קשה היה לראות אינטראקציות מסוג זה במהלך היקום המוקדם. באמצעות מערך אטקמה גדול מילימטר / תת-מילימטר (ALMA) הצליח צוות אסטרונומים להשיג את התמונה שנפתרה הראשונה של עננים גזיים מופרעים שהגיעו מקוואזאר רחוק מאוד.
המחקר המתאר את ממצאיהם, בראשות פרופ 'קאיקי טארו אינואה מאוניברסיטת קינדאי, הופיע לאחרונה במחקר מכתבי כתבי עת אסטרופיסיים. כפי שהסבירו אינואה ועמיתיו, נתוני ALMA חשפו מטוסים דו-קוטביים צעירים שהגיעו מ- MG J0414 + 0534, קוואזאר שנמצא בערך 11 מיליארד שנות אור מכדור הארץ. ממצאים אלה מראים כי גלקסיות עם SMBHs וסילונים היו קיימים כאשר המפץ הגדול היה בן פחות משלושה מיליארד שנה.
בנוסף ל- ALMA, הצוות הסתמך על טכניקה המכונה עדשת כבידה, שם כוח המשיכה של גלקסיה מתערבת מעצים את האור שמגיע מחפץ מרוחק. הודות ל"טלסקופ קוסמי "זה והרזולוציה הגבוהה של ALMA הצוות הצליח להתבונן בעננים הגזים המופרעים סביב MG J0414 + 0534 ולקבוע כי הם נגרמו על ידי מטוסים צעירים שהגיעו מסמטה במרכז הגלקסיה.
כפי שהסביר Kouichiro Nakanishi, פרופסור חבר לפרויקט המצפה האסטרונומי הלאומי של יפן / SOKENDAI, בהודעה לעיתונות של ALMA:
"שילוב של הטלסקופ הקוסמי הזה והתצפיות ברזולוציה גבוהה של ALMA, השגנו ראייה חדה במיוחד, טובה פי 9,000 ממראה אנושי. עם הרזולוציה הגבוהה הזו במיוחד, הצלחנו להשיג את התפוצה וההצעה של עננים גזים סביב מטוסים שהוצאו מהחור השחור העל-מסיבי. "
תצפיות אלה הראו גם כי הגז הושפע במקום בו עקב אחר כיוון המטוסים, וגרם לחלקיקים לנוע באלימות ולהאיץ למהירויות של עד 600 קמ"ש (370 מגה"ס). מה שכן, העננים הגזים שהושפעו והמטוסים עצמם היו קטנים בהרבה מגודל הגלקסיה הטיפוסית בעידן זה.
מכאן הגיע הצוות למסקנה שהם עדים לשלב מוקדם מאוד של התפתחות סילון בגלקסיית MG J0414 + 0534. אם נכון, תצפיות אלה אפשרו לצוות להיות עדים לתהליך אבולוציוני מרכזי בגלקסיות בתקופת היקום הקדום. כפי שתמצה אינואה:
"MG J0414 + 0534 הוא דוגמא מצוינת בגלל צעירות המטוסים. מצאנו עדויות מדויקות לאינטראקציה משמעותית בין מטוסים ועננים גזים אפילו בשלב האבולוציוני המוקדם מאוד של מטוסים. אני חושב שהתגלית שלנו תסלול את הדרך להבנה טובה יותר של התהליך האבולוציוני של הגלקסיות ביקום המוקדם. "
יחד, מחקרים אלה מדגימים כי שתיים מהתופעות האסטרונומיות החזקות ביותר ביקום הופיעו מוקדם מהצפוי. תגלית זו מספקת גם לאסטרונומים אפשרות לחקור כיצד התופעות הללו התפתחו עם הזמן, ואת התפקיד שמילאו בהתפתחות היקום.
