Teleskop Kosmiczny Webba szuka pierwotnych czarnych dziur

Artystyczne renderowanie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Źródło: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

Zespół Teleskopu Kosmicznego Webba Pracuj dalej na mnie uruchomienie To ostatni krok przed rozpoczęciem działalności naukowej latem. Niedawno widzieliśmy niesamowite zdjęcie Czarna dziura w centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznejwzięty przez teleskop horyzontu zdarzeń. Jedną z tajemnic współczesnej astronomii jest to, jak duży jest każdy z nich galaktyka Przyszedł, by mieć gigantyczną centralność Czarna dziurai jak niektóre z tych czarnych dziur są zaskakująco duże nawet w bardzo wczesnych czasach wszechświata. Poprosiliśmy Roberto Maiolino, członka zespołu Webb’s Near Infrared Spectrometer (NIRSpec), aby powiedział nam, w jaki sposób Webb pomoże odpowiedzieć na niektóre z tych pytań.

„Jednym z najbardziej ekscytujących obszarów odkrycia, które Webb ma zamiar odblokować, jest poszukiwanie pierwotnych czarnych dziur we wczesnym wszechświecie. Są to nasiona najbardziej masywnych czarnych dziur, które astronomowie odkryli w jądrach galaktyk. Większość (być może wszystkie) galaktyki posiadają w swoich centrach czarne dziury, a ich masy wahają się od milionów do miliardów mas Słońca. Te supermasywne czarne dziury urosły do ​​bardzo dużych rozmiarów, pożerając otaczającą je materię, a także łącząc mniejsze czarne dziury.

„Najnowszym interesującym odkryciem jest odkrycie supermasywnych czarnych dziur o masach kilku miliardów mas Słońca, które faktycznie istniały, gdy wszechświat miał zaledwie około 700 milionów lat, co stanowi ułamek jego obecnego wieku 13,8 miliarda lat. Wynik, ponieważ w tak młodym wieku, zgodnie ze standardowymi teoriami, nie było wystarczająco dużo czasu na rozwój tak masywnych czarnych dziur. Zaproponowano kilka scenariuszy rozwiązania tej zagadki.

Jedną z możliwości jest to, że czarne dziury, spowodowane przez śmierć pierwszej generacji gwiazd we wczesnym wszechświecie, akumulowały materię w wyjątkowo szybkim tempie. Innym scenariuszem jest to, że pierwotne chmury gazu, które nie są jeszcze wzbogacone pierwiastkami chemicznymi cięższymi od helu, mogą zapaść się bezpośrednio, tworząc[{” attribute=””>black hole with a mass of a few hundred thousand solar masses, and subsequently accrete matter to evolve into the hyper-massive black holes observed at later epochs. Finally, dense, nuclear star clusters at the centers of baby galaxies may have produced intermediate mass black hole seeds, via stellar collisions or merging of stellar-mass black holes, and then become much more massive via accretion.

This illustration shows the populations of known black holes (large black dots) and the candidate black hole progenitors in the early universe (shaded regions). Credit: Roberto Maiolino, University of Cambridge

“Webb is about to open a completely new discovery space in this area. It is possible that the first black hole seeds originally formed in the ‘baby universe,’ within just a few million years after the big bang. Webb is the perfect ‘time machine’ to learn about these primeval objects. Its exceptional sensitivity makes Webb capable of detecting extremely distant galaxies, and because of the time required for the light emitted by the galaxies to travel to us, we will see them as they were in the remote past.

“Webb’s NIRSpec instrument is particularly well suited to identify primeval black hole seeds. My colleagues in the NIRSpec Instrument Science Team and I will be searching for their signatures during ‘active’ phases, when they are voraciously gobbling matter and growing rapidly. In these phases the material surrounding them becomes extremely hot and luminous and ionizes the atoms in their surroundings and in their host galaxies.

“NIRSpec will disperse the light from these systems into spectra, or ‘rainbows.’ The rainbow of active black hole seeds will be characterised by specific ‘fingerprints,’ features of highly ionized atoms. NIRSpec will also measure the velocity of the gas orbiting in the vicinity of these primeval black holes. Smaller black holes will be characterized by lower orbital velocities. Black hole seeds formed in pristine clouds will be identified by the absence of features associated with any element heavier than helium.

“I look forward to using Webb’s unprecedented capabilities to search for these black hole progenitors, with the ultimate goal of understanding their nature and origin. The early universe and the realm of black holes seeds is a completely uncharted territory that my colleagues and I are very excited to explore with Webb.”

— Roberto Maiolino, professor of experimental astrophysics and director of the Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge

Written by:

• Jonathan Gardner, Webb deputy senior project scientist, NASA’s Goddard Space Flight Center
• Stefanie Milam, Webb deputy project scientist for planetary science, NASA’s Goddard Space Flight Center