Kwazar J0100+2802: Czarna dziura powstrzymuje powstawanie gwiazd

Supermasywne czarne dziury funkcjonują jako „kosmiczne drapieżniki”, które mogą tłumić powstawanie gwiazd nie tylko w swoich galaktykach macierzystych, ale także w sąsiednich układach oddalonych o miliony lat świetlnych. Nowe badania prowadzone przez University of Arizona wskazują, że intensywne promieniowanie emitowane przez aktywne czarne dziury — znane jako kwazary — nagrzewa i rozprasza zimny cząsteczkowy wodór niezbędny do narodzin gwiazd. Odkrycie to, opublikowane w The Astrophysical Journal Letters 3 grudnia 2025 roku, sugeruje, że ewolucja galaktyk jest połączonym „wysiłkiem grupowym”, a nie odizolowanym procesem, co zasadniczo zmienia nasze zrozumienie rozwoju wczesnego wszechświata.

Badanie, którym kierował badacz postdoktorski Yongda Zhu ze Steward Observatory, wykorzystało bezprecedensową czułość Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) do obserwacji odległego wszechświata. Badając otoczenie jednej z najbardziej masywnych czarnych dziur, jakie kiedykolwiek odkryto, zespół zidentyfikował „strefę tłumienia”, w której formowanie się gwiazd zostało znacznie zahamowane. Znalezisko to dostarcza długo poszukiwanego wyjaśnienia, dlaczego niektóre wczesne galaktyki wydają się „martwe” lub spokojne, mimo że znajdują się w środowiskach bogatych w gaz.

Czym jest kwazar J0100+2802 i dlaczego jest istotny?

Kwazar J0100+2802 to hiperjasne aktywne jądro galaktyki znajdujące się 12,8 miliarda lat świetlnych stąd, zasilane przez supermasywną czarną dziurę o masie 12 miliardów razy większej niż masa Słońca. Obiekt ten, wyłaniający się zaledwie 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu, jest kluczowy, ponieważ jego ekstremalna jasność — 420 bilionów razy większa niż jasność naszego Słońca — działa jak kosmiczna latarnia morska, pozwalając astronomom badać stan ośrodka międzygalaktycznego podczas epoki reionizacji.

Obserwacje J0100+2802 stanowią okno na okres niemowlęcy wszechświata, zapewniając laboratorium do badania koewolucji czarnych dziur i galaktyk. Ponieważ ta czarna dziura jest tak masywna i aktywna, służy jako ekstremalne studium przypadku dla sprzężenia radiacyjnego. Energia uwalniana, gdy materia spiralnie opada do horyzontu zdarzeń, tworzy wirujący dysk gazu i pyłu, który przyćmiewa całą galaktykę macierzystą, czyniąc go widocznym w ogromie przestrzeni i czasu.

Znaczenie J0100+2802 wynika z jego rekordowych parametrów i umiejscowienia na osi czasu kosmosu:

• Masa: Około 12 miliardów mas Słońca.
• Jasność: Odpowiednik 420 bilionów Słońc.
• Przesunięcie ku czerwieni: z = 6,30, co datuje go na czasy, gdy wszechświat miał mniej niż miliard lat.
• Odległość: 12,8 miliarda lat świetlnych od Ziemi.

Czy supermasywne czarne dziury mogą działać jako kosmiczne drapieżniki?

Supermasywne czarne dziury działają jako kosmiczne drapieżniki, emitując intensywne promieniowanie, które pozbawia pobliskie galaktyki zimnego gazu wymaganego do formowania się gwiazd. Proces ten, określany jako sprzężenie międzygalaktyczne, polega na „konsumowaniu” przez kwazar lokalnej materii przy jednoczesnym uwalnianiu potoków energii, które zaburzają równowagę ekologiczną otaczającej go kosmicznej sieci, skutecznie głodząc sąsiednie galaktyki i pozbawiając je potencjału wzrostu.

Tradycyjne modele ewolucji galaktycznej zakładały, że galaktyki są w dużej mierze niezależne ze względu na ogromne odległości między nimi. Jednak Yongda Zhu i jego zespół z University of Arizona odkryli, że pojedyncza, hiperaktywna czarna dziura może wywierać sferę wpływów rozciągającą się na co najmniej milion lat świetlnych. W tym promieniu promieniowanie kwazara rozbija wodór cząsteczkowy — główne paliwo dla gwiazd — do stanu zjonizowanego, który nie może zapaść się pod wpływem grawitacji, aby utworzyć nowe ciała niebieskie.

To „drapieżne” zachowanie wywołuje efekt fali w całym lokalnym ekosystemie galaktycznym. Podobnie jak drapieżnik szczytowy w środowisku lądowym, centralny kwazar dyktuje populację i wzrost „gatunków” (galaktyk) wokół niego. Zapobiegając chłodzeniu gazu w sąsiednich układach, czarna dziura sprawia, że galaktyki te pozostają małe i niedorozwinięte, skutecznie przedwcześnie zatrzymując ich postęp ewolucyjny.

Jak dane z JWST pokazują stłumione formowanie się gwiazd w pobliżu kwazarów?

Dane z JWST ujawniają zahamowane formowanie się gwiazd poprzez pomiar emisji O III (podwójnie zjonizowanego tlenu), który służy jako chemiczny znacznik niedawnej aktywności gwiazdowej. Wykorzystując instrumenty NIRCam i NIRSpec, naukowcy zaobserwowali, że galaktyki w promieniu miliona lat świetlnych od kwazara J0100+2802 wykazywały znacznie słabsze sygnały O III w stosunku do ich światła ultrafioletowego, co wskazuje na brak narodzin nowych gwiazd.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba był niezbędny dla tego odkrycia, ponieważ ekspansja wszechświata rozciągnęła światło z tych wczesnych galaktyk do widma podczerwonego. Poprzednie obserwatoria, takie jak Hubble, nie posiadały czułości na podczerwień potrzebnej do wykrycia słabych sygnałów zjonizowanego tlenu w tak ekstremalnych odległościach. Dane o wysokiej rozdzielczości dostarczone przez JWST pozwoliły badaczom odróżnić światło kwazara od subtelnych sygnatur otaczających go 117 galaktyk zidentyfikowanych w badaniu.

Co ciekawe, zespół początkowo myślał, że teleskop może działać nieprawidłowo, gdy zobaczył mniej galaktyk niż oczekiwano w pobliżu kwazara. „Byliśmy zdezorientowani” — powiedział Zhu. „Potem zdaliśmy sobie sprawę, że galaktyki mogą tam faktycznie być, ale są trudne do wykrycia, ponieważ ich niedawne procesy gwiazdotwórcze zostały stłumione”. O tym tłumieniu świadczy niższy stosunek emisji O III, co potwierdza, że sprzężenie radiacyjne czarnej dziury sięgnęło daleko i zakłóciło obłoki zimnego gazu w tych sąsiednich układach.

Kluczowe czynniki technologiczne, które umożliwiły te badania, to:

• Obrazowanie NIRCam: Uchwyciło obrazy galaktyk we wczesnym wszechświecie w wysokiej rozdzielczości.
• Spektroskopia NIRSpec: Pozwoliła na precyzyjny pomiar pierwiastków chemicznych, takich jak tlen i wodór.
• Czułość na podczerwień: Pokonała przeszkody związane z przesunięciem ku czerwieni, które utrudniały pracę wcześniejszym teleskopom.
• Szerokie pole widzenia: Pozwoliło zmapować rozmieszczenie galaktyk w promieniu miliona lat świetlnych.

Implikacje tych badań rozciągają się na naszą własną galaktykę, Drogę Mleczną. Astronomowie uważają, że nasza centralna czarna dziura, Sagittarius A*, prawdopodobnie przeszła fazę kwazara w odległej przeszłości. Zrozumienie, w jaki sposób starożytne kwazary, takie jak J0100+2802, wpływały na swoje otoczenie, pomaga naukowcom odtworzyć historię naszej lokalnej grupy galaktyk i szerszą architekturę kosmicznej sieci.

Patrząc w przyszłość, zespół z University of Arizona planuje rozszerzyć swoje badania na inne pola kwazarowe, aby ustalić, czy to „drapieżne” zachowanie jest uniwersalną cechą wszystkich supermasywnych czarnych dziur. Jeśli te ustalenia potwierdzą się w wielu regionach wczesnego wszechświata, naukowcy będą musieli drastycznie zweryfikować swoje symulacje dotyczące formowania się pierwszych struktur w kosmosie. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pozostanie głównym narzędziem tych dochodzeń, odsłaniając kolejne warstwy czasu, aby pokazać, jak najgwałtowniejsze obiekty we wszechświecie ukształtowały spokojne galaktyki, które obserwujemy dzisiaj.