Το καλοκαίρι του 2022, λιγότερο από ένα μήνα αφότου το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) άρχισε να δημοσιεύει τις πρώτες του επιστημονικές εικόνες, οι αστρονόμοι εντόπισαν κάτι εκπληκτικό: μικροσκοπικές κόκκινες κουκκίδες διάσπαρτες στον ουρανό. Χάρη στην εξαιρετική ευαισθησία του JWST, αυτά τα πολύ συμπαγή και βαθιά κόκκινα αντικείμενα ξεχώριζαν καθαρά, και φαίνεται πως υπήρχαν πολλά από αυτά.
Το τηλεσκόπιο είχε αποκαλύψει αυτό που έμοιαζε με έναν εντελώς νέο πληθυσμό ουράνιων αντικειμένων, τα οποία το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble δεν είχε ανιχνεύσει ποτέ. Αυτό είναι λογικό. Στην αστρονομία, το να αποκαλείς κάτι «πολύ κόκκινο» σημαίνει ότι εκπέμπει το μεγαλύτερο μέρος του φωτός του σε μεγαλύτερα μήκη κύματος.
Αυτές οι μικρές κόκκινες πηγές εκπέμπουν κυρίως σε μήκη κύματος μεσαίου υπέρυθρου, μεγαλύτερα από το ένα δεκάκις εκατομμυριοστό του μέτρου, ένα εύρος που το Hubble δεν μπορεί να παρατηρήσει, αλλά το JWST κατασκευάστηκε ειδικά για να το ανιχνεύει. Οι μεταγενέστερες παρατηρήσεις αποκάλυψαν ότι αυτά τα αντικείμενα ήταν εξαιρετικά μακρινά. Ακόμη και τα πιο κοντινά παραδείγματα ήταν τόσο μακριά που το φως τους χρειαζόταν 12 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει στη Γη. Επειδή οι αστρονόμοι παρατηρούν πάντα το σύμπαν όπως ήταν όταν εκπέμφθηκε το φως, βλέποντας φως τόσο παλιό σημαίνει ότι κοιτάμε πίσω σε μια εποχή μόλις περίπου 1,8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη
Ανεξήγητα νεαρoί, τεράστιοι γαλαξίες;
Εδώ ξεκίνησε η πρόκληση. Η ερμηνεία μιας εικόνας τηλεσκοπίου απαιτεί ένα φυσικό μοντέλο του αντικειμένου που νομίζεις ότι κοιτάς. Όταν οι αστρονόμοι αναγνωρίζουν κάτι ως αστέρα, αυτό το συμπέρασμα υποστηρίζεται από λεπτομερή μοντέλα που εξηγούν πώς λειτουργούν οι αστέρες: Μια τεράστια σφαίρα πλάσματος που συγκρατείται από τη βαρύτητα και τροφοδοτείται από πυρηνική σύντηξη, στον πυρήνα της. Γνωρίζουν επίσης ακριβώς πώς πρέπει να εμφανίζονται οι αστέρες στις εικόνες και πώς το φως τους αναλύεται σε ένα φάσμα. Όταν ένα αντικείμενο ταιριάζει και με τα δύο, η ταυτοποίηση είναι ασφαλής.
Οι μικρές κόκκινες κουκκίδες δεν έμοιαζαν αρκετά με καμία γνωστή κατηγορία ώστε να ενταχθούν ομαλά στις τυπικές εξηγήσεις, οπότε οι ερευνητές άρχισαν να εξετάζουν πιο ασυνήθιστες πιθανότητες. Μια αρχική ιδέα ήταν από μόνη της εντυπωσιακή: οι μικρές κόκκινες κουκκίδες μπορεί να ήταν εξαιρετικά πυκνοί, καλυμμένοι με σκόνη γαλαξίες, γεμάτοι με τεράστιους αριθμούς αστέρων. Για να κατανοήσουμε την αντίθεση, σκεφτείτε το τοπικό μας κοσμικό περιβάλλον. Αν τοποθετούσατε το ηλιακό μας σύστημα μέσα σε έναν κύβο με πλευρά ενός έτους φωτός, ολόκληρος αυτός ο όγκος θα περιείχε μόνο τον Ήλιο. Στους υποθετικούς γαλαξίες που προτάθηκαν για να εξηγήσουν τις μικρές κόκκινες κουκκίδες, ένας κύβος του ίδιου μεγέθους θα περιείχε αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες αστέρες.
Στον γαλαξία μας, τον Milky Way, η μόνη περιοχή με τόσο υψηλή πυκνότητα άστρων είναι ο κεντρικός πυρήνας, αλλά αυτός περιέχει μόνο περίπου το ένα χιλιοστό των αστέρων που απαιτούνταν σε αυτά τα μοντέλα των μικρών κόκκινων κουκκίδων. Ο τεράστιος αριθμός των αστέρων που εμπλέκονται, που φτάνει τις εκατοντάδες δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες, λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, έθετε σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τη βασική κατανόηση των αστρονόμων για την εξέλιξη των γαλαξιών: Θα μπορούσαμε καν να εξηγήσουμε πώς αυτοί οι γαλαξίες παρήγαγαν τόσους πολλούς αστέρες, τόσο γρήγορα;
Ένας από τους συγγραφείς, ο Bingjie Wang (Πανεπιστήμιο Penn State) εξηγεί: «Ο νυχτερινός ουρανός ενός τέτοιου γαλαξία θα ήταν εκτυφλωτικά λαμπρός. Εάν αυτή η ερμηνεία ευσταθεί, συνεπάγεται ότι οι αστέρες σχηματίστηκαν μέσω εξαιρετικών διεργασιών που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν».
Γαλαξίες έναντι ενεργών γαλαξιακών πυρήνων
Η ερμηνεία παρέμεινε αμφιλεγόμενη. Η κοινότητα χωρίστηκε σε δύο στρατόπεδα: Μία ομάδα που υποστήριζε την ερμηνεία των πολλών αστέρων και της πολλής σκόνης, και μια άλλη που ερμήνευσε τις μικρές κόκκινες κουκκίδες ως ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες, αλλά επίσης κρυμμένους από άφθονη σκόνη. Οι ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες είναι αυτό που βλέπουμε όταν μια σταθερή ροή ύλης πέφτει πάνω στην κεντρική μαύρη τρύπα ενός γαλαξία, σχηματίζοντας έναν εξαιρετικά θερμό, λεγόμενο δίσκο προσαύξησης γύρω από το κεντρικό αντικείμενο.
Αλλά αυτή η δεύτερη ερμηνεία είχε το δικό της σύνολο περιορισμών. Υπάρχουν εμφανείς διαφορές μεταξύ των φασμάτων των μικρών κόκκινων κουκκίδων και εκείνων των κοκκινισμένων από σκόνη ενεργών γαλαξιακών πυρήνων που είχαν παρατηρήσει προηγουμένως οι αστρονόμοι. Επιπλέον, αυτή η ερμηνεία θα απαιτούσε εξαιρετικά μεγάλες μάζες για τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στο κέντρο αυτών των αντικειμένων – και εκπληκτικά πολλές από αυτές, δεδομένου του μεγάλου αριθμού μικρών κόκκινων κουκκίδων που είχαν βρεθεί.
Υπήρχε, ωστόσο συμφωνία σε ένα σημείο: ότι για να λυθεί ο γρίφος, οι αστρονόμοι θα χρειάζονταν περισσότερα και διαφορετικά δεδομένα από παρατηρήσεις. Οι αρχικές παρατηρήσεις του JWST παρείχαν εικόνες. Για τον έλεγχο φυσικών ερμηνειών, οι αστρονόμοι χρειάζονται φάσματα: λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με το πόσο φως εκπέμπει ένα αντικείμενο σε διαφορετικά μήκη κύματος. Για τα κορυφαία τηλεσκόπια, υπάρχει σημαντικός ανταγωνισμός για τον χρόνο παρατήρησης.
Μόλις έγινε σαφές πόσο ενδιαφέρουσες ήταν οι μικρές κόκκινες κουκκίδες, πολλοί αστρονόμοι παγκοσμίως άρχισαν να υποβάλλουν αιτήσεις για χρόνο ώστε να τις παρατηρήσουν πιο προσεκτικά. Μία τέτοια αίτηση ήταν το πρόγραμμα RUBIES που διαμορφώθηκε από την Anna de Graaff στο Ινστιτούτο Αστρονομίας Max Planck στη Χαϊδελβέργη και μια διεθνή ομάδα συναδέλφων, όπου το ακρωνύμιο σημαίνει “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey”.
Οι μακρινοί θησαυροί του RUBIES
Η αίτηση RUBIES ήταν επιτυχής, και μεταξύ Ιανουαρίου και Δεκεμβρίου 2024, οι αστρονόμοι χρησιμοποίησαν σχεδόν 60 ώρες χρόνου παρατήρησης του JWST για να λάβουν φάσματα από συνολικά 4500 μακρινούς γαλαξίες, ένα από τα μεγαλύτερα φασματοσκοπικά σύνολα δεδομένων που έχουν ληφθεί με το JWST μέχρι σήμερα. Όπως λέει ο Raphael Hviding (MPIA), «Σε αυτό το σύνολο δεδομένων, βρήκαμε 35 μικρές κόκκινες κουκκίδες. Οι περισσότερες από αυτές είχαν ήδη βρεθεί χρησιμοποιώντας δημόσια διαθέσιμες εικόνες του JWST. Αλλά εκείνες που ήταν νέες αποδείχθηκαν τα πιο ακραία και συναρπαστικά αντικείμενα.»
Το πιο ενδιαφέρον από όλα ήταν το φάσμα ενός αντικειμένου που βρήκαν οι αστρονόμοι τον Ιούλιο του 2024. Οι αστρονόμοι ονόμασαν το εν λόγω αντικείμενο «Ο Βράχος» (The Cliff), και φάνηκε να είναι μια ακραία εκδοχή του πληθυσμού των μικρών κόκκινων κουκκίδων – και εξαιτίας αυτού ακριβώς ένα πολλά υποσχόμενο παράδειγμα δοκιμής για την ερμηνεία του τι ακριβώς ήταν οι μικρές κόκκινες κουκκίδες.
Ο Βράχος είναι τόσο μακρινός από εμάς που το φως του χρειάστηκε 11,9 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει σε εμάς (μετατόπιση προς το ερυθρό z=3,55). Το “Cliff” (Βράχος) πήρε το όνομά του από το πιο χαρακτηριστικό γνώρισμα του φάσματός του: μια απότομη άνοδο στην περιοχή που θα ήταν η υπεριώδης περιοχή, σε μήκη κύματος λίγο μικρότερα από αυτά του ιώδους ορατού φωτός. “Θα ήταν” επειδή το σύμπαν μας διαστέλλεται: Μια άμεση συνέπεια είναι ότι, για ένα αντικείμενο τόσο μακρινό όσο ο Βράχος (The Cliff), αυτό το μήκος κύματος τεντώνεται σε σχεδόν πέντε φορές την αρχική του τιμή, προσγειώνοντας το ακριβώς στην περιοχή του κοντινού υπέρυθρου (“κοσμολογική μετατόπιση προς το ερυθρό”).
Μια τόσο έντονη άνοδος αυτού του είδους, σε αυτά τα μήκη κύματος, είναι γνωστή ως «άλμα Balmer». Τα άλματα Balmer μπορούν να βρεθούν στα φάσματα συνηθισμένων γαλαξιών, όπου συνήθως παρατηρούνται σε γαλαξίες που σχηματίζουν ελάχιστα έως καθόλου νέα άστρα εκείνη τη στιγμή. Αλλά σε αυτές τις περιπτώσεις, η άνοδος είναι πολύ λιγότερο απότομη σε σχέση με το The Cliff.
Μια περίεργη ομοιότητα με μεμονωμένα αστέρια
Με αυτό το αναμφισβήτητο, ασυνήθιστο χαρακτηριστικό, ο «Βράχος» (The Cliff) φαινόταν να μην ταιριάζει σε καμία από τις ερμηνείες που είχαν προταθεί για τις «μικρές κόκκινες κουκκίδες» (little red dots). Αλλά η De Graaff και οι συνάδελφοί της ήθελαν να βεβαιωθούν. Κατασκεύασαν διάφορες παραλλαγές όλων των μοντέλων που προσπαθούσαν να ερμηνεύσουν τις μικρές κόκκινες κουκκίδες είτε ως γαλαξίες μαζικής αστρογένεσης είτε ως ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες καλυμμένους με σκόνη, επιχείρησαν να αναπαράγουν το φάσμα του «Βράχου» με το καθένα, και απέτυχαν όλες τις φορές.
Η Anna de Graaff αναφέρει: «Οι ακραίες ιδιότητες του “Βράχου” (The Cliff) μας ανάγκασαν να επιστρέψουμε από την αρχή στη δουλειά και να καταλήξουμε σε εντελώς νέα μοντέλα». Μέχρι τότε, η ιδέα ότι τα χαρακτηριστικά ασυνέχειας Balmer σε ένα φάσμα μπορεί να οφείλονται σε κάτι άλλο εκτός από αστέρια είχε εισέλθει στη συζήτηση (με τη μορφή ενός άρθρου του Σεπτεμβρίου 2024 από δύο ερευνητές με έδρα την Κίνα και το Ηνωμένο Βασίλειο).
Η De Graaff και οι συνάδελφοί της είχαν αρχίσει να αναρωτιούνται για κάτι πολύ παρόμοιο: οι ασυνέχειες Balmer μπορούν να βρεθούν τόσο στα φάσματα μεμονωμένων, πολύ θερμών, νεαρών άστρων όσο και στα φάσματα γαλαξιών που περιέχουν επαρκή αριθμό τέτοιων πολύ θερμών, νεαρών άστρων. Παραδόξως, ο «Βράχος» έμοιαζε περισσότερο με το φάσμα ενός μεμονωμένου αστεριού παρά με αυτό ενός ολόκληρου γαλαξία.
Εμφανίζονται τα «αστέρια» με μαύρη τρύπα
Σε αυτή τη βάση, η De Graaf και οι συνάδελφοί της ανέπτυξαν ένα μοντέλο που μερικοί από αυτούς έχουν υιοθετήσει να αποκαλούν «αστέρι μαύρης τρύπας», γραμμένο ως BH*: Πρόκειται για έναν ενεργό γαλαξιακό πυρήνα, δηλαδή μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα με δίσκο προσαύξησης, αλλά που περιβάλλεται και κοκκινίζει όχι από σκόνη, αλλά επειδή είναι ενσωματωμένος σε έναν παχύ περίβλημα αερίου υδρογόνου.
Το BH* δεν είναι άστρο με την αυστηρή έννοια, καθώς δεν υπάρχει πυρηνικός αντιδραστήρας σύντηξης στο κέντρο του. Επιπλέον, το αέριο στον φάκελο στροβιλίζεται πολύ πιο βίαια (υπάρχει πολύ ισχυρότερη αναταραχή) από ό,τι σε οποιαδήποτε συνηθισμένη ατμόσφαιρα αστέρα. Αλλά η βασική φυσική είναι παρόμοια: Ο ενεργός γαλαξιακός πυρήνας θερμαίνει τον περιβάλλοντα φάκελο αερίου, ακριβώς όπως το κέντρο ενός αστέρα που τροφοδοτείται από πυρηνική σύντηξη θερμαίνει τα εξωτερικά στρώματα του αστέρα, οπότε η εξωτερική εμφάνιση έχει έντονες ομοιότητες.
Τα μοντέλα που διατυπώθηκαν από την De Graaf και τους συναδέλφους της σε αυτό το σημείο είναι αποδείξεις-της-ιδέας (proofs-of-concept) – πρωτοποριακή δουλειά, αλλά σε καμία περίπτωση τέλεια εφαρμογή. Ωστόσο, αυτά τα μοντέλα «αστεριών μαύρης τρύπας» περιγράφουν τα δεδομένα πολύ καλύτερα από οποιονδήποτε άλλο τύπο μοντέλου. Συγκεκριμένα, το σχήμα του «βράχου» (cliff) στο φάσμα, από τον οποίο πήρε το όνομά του, εξηγείται όμορφα με την υπόθεση ενός στροβιλιζόμενου, πυκνού, σφαιρικού φακέλου αερίου γύρω από έναν Ενεργό Γαλαξιακό Πυρήνα (AGN).
Από αυτή την οπτική γωνία, ο «Βράχος» θα ήταν ένα ακραίο παράδειγμα όπου το κεντρικό αστέρι μαύρης τρύπας κυριαρχεί στη φωτεινότητα του αντικειμένου. Για τις άλλες «μικρές κόκκινες κουκκίδες», το φως τους θα ήταν ένα πιο ομοιόμορφο μείγμα του κεντρικού αστεριού μαύρης τρύπας με το φως από αστέρια και αέριο στα γύρω μέρη του γαλαξία.
Ένας νέος μηχανισμός για τον ταχύ σχηματισμό πρώιμων γαλαξιών;
Εάν η λύση είναι όντως ένα άστρο μαύρης τρύπας, αυτό μπορεί να έχει ένα ακόμη πιθανό πλεονέκτημα. Συστήματα αυτού του είδους είχαν μελετηθεί παλαιότερα σε ένα καθαρά θεωρητικό πλαίσιο, με πολύ ελαφρύτερες μαύρες τρύπες ενδιάμεσης μάζας. Εκεί, η διάταξη με την κεντρική μαύρη τρύπα και τον περιβάλλοντα φάκελο αερίου θεωρήθηκε ως ένας τρόπος για τη μάζα των κεντρικών μαύρων τρυπών των πολύ πρώιμων γαλαξιών να αυξάνεται ιδιαίτερα γρήγορα. Δεδομένου ότι το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb (JWST) έχει βρει ισχυρές ενδείξεις για μαύρες τρύπες υψηλής μάζας στο πρώιμο σύμπαν, μια διαμόρφωση που θα μπορούσε να εξηγήσει την εξαιρετικά γρήγορη αύξηση της μάζας των μαύρων τρυπών θα ήταν μια ευπρόσδεκτη προσθήκη στα τρέχοντα μοντέλα εξέλιξης των γαλαξιών.
Το αν τα υπερμεγέθη άστρα μαύρης τρύπας μπορούν να κάνουν το ίδιο είναι ακόμη απροσδιόριστο, αλλά θα ήταν μια ενδιαφέρουσα επέκταση του ρόλου τους αν το κατάφερναν! Όσο ελπιδοφόρο κι αν ακούγεται αυτό, χρειάζονται επιφυλάξεις. Το νέο αποτέλεσμα είναι ολοκαίνουργιο. Η αναφορά σε αυτό συμφωνεί με την αποδεκτή πρακτική της κάλυψης επιστημονικών αποτελεσμάτων μόλις δημοσιευθούν ή γίνουν δεκτά από ένα επιστημονικό περιοδικό με κριτές (peer-reviewed journal). Ωστόσο, για να γνωρίζουμε αν αυτό θα γίνει ένα αξιόπιστο κομμάτι της κοσμολογικής εικόνας, θα πρέπει να περιμένουμε τουλάχιστον μερικά ακόμη χρόνια.
Ανοιχτά ερωτήματα
Το παρόν αποτέλεσμα αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός: το πρώτο μοντέλο που μπορεί να εξηγήσει το ασυνήθιστο σχήμα του «Βράχου» (The Cliff), την ασυνέχεια Balmer του ακραίου αντικειμένου. Όπως κάθε σημαντικό βήμα προόδου, οδηγεί σε νέα, ανοιχτά ερευνητικά ερωτήματα:
- Πώς θα μπορούσε να έχει σχηματιστεί ένα τέτοιο αστέρι μαύρης τρύπας;
- Πώς μπορεί ο ασυνήθιστος φάκελος αερίου να διατηρηθεί για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα; (Δεδομένου ότι η μαύρη τρύπα καταβροχθίζει το γύρω αέριο, πρέπει να υπάρχει ένας μηχανισμός για τον «εφοδιασμό» του φακέλου.)
- Πώς προκύπτουν τα άλλα χαρακτηριστικά του φάσματος του «Βράχου»;
Η απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα απαιτεί συνεισφορές από την αστροφυσική μοντελοποίηση, αλλά αναμένεται επίσης να ωφεληθεί από περαιτέρω σε βάθος παρατήρηση.
Στην πραγματικότητα, η De Graaf και η ομάδα της έχουν ήδη λάβει έγκριση για παρατηρήσεις παρακολούθησης (follow-up) με το JWST για μικρές κόκκινες κουκκίδες ιδιαίτερου ενδιαφέροντος, όπως ο «Βράχος» (The Cliff), οι οποίες έχουν προγραμματιστεί για το επόμενο έτος.
Αυτές οι μελλοντικές παρατηρήσεις θα ρίξουν φως στο αν τα αστέρια μαύρης τρύπας είναι πράγματι η εξήγηση για το πώς οι σημερινοί γαλαξίες έγιναν αυτό που είναι. Σε αυτή τη χρονική στιγμή, αυτό το ενδεχόμενο είναι μια συναρπαστική πιθανότητα, αλλά απέχει πολύ από το να θεωρηθεί βέβαιο.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου