Viena iš didžiausių paslapčių, kurią turėjo padėti įminti Džeimso Webbo kosminis teleskopas (JWST), yra supermasyviųjų juodųjų skylių (SMBH) susidarymas. Daugiau nei dvidešimt metų astronomai mėgino suprasti, kaip šie gravitaciniai milžinai, sveriantys nuo milijonų iki milijardų Saulės masių, galėjo egzistuoti praėjus mažiau nei milijardui metų po Didžiojo sprogimo.
Pagal plačiausiai priimamus kosmologinius modelius, tokio masyvumo juodosios skylės per tokį trumpą laiką neturėjo suspėti susiformuoti įprastais juodųjų skylių formavimosi ir susiliejimo procesais.
Naujausi stebėjimai meta iššūkį šiems modeliams ir palaiko alternatyvią hipotezę, kad supermasyviųjų juodųjų skylių „sėklos“ susidarė tiesiogiai iš žlungančių kosminių dujų debesų. Tokie objektai vadinami tiesioginio žlugimo juodosiomis skylėmis (angl. direct collapse black holes, DCBH).
Kitas galimas paaiškinimas – kad ankstyvojoje Visatoje egzistavo ypatingai masyvios žvaigždės (vadinamos III populiacijos žvaigždėmis), kurios po mirties paliko didelės masės juodąsias skyles.
Naudodama JWST duomenis, tarptautinė mokslininkų komanda pirmą kartą rado įrodymų, patvirtinančių teoriją, jog ankstyvojoje Visatoje egzistavo „monstrų žvaigždės“, kurių masė siekė nuo 1 000 iki 10 000 Saulės masių.
Komandai vadovavo Deveshas Nandalas, Šveicarijos nacionalinio mokslo fondo podoktorantūros stažuotojas iš Virdžinijos universiteto ir Harvardo–Smitsoniano astrofizikos centro Teorinių skaičiavimų instituto. Prie jo prisijungė Danielis Whalenas, kosmologijos lektorius Kosmologijos ir gravitacijos institute Portsmuto universitete, astrofizikas Muhammadas A. Latifas iš Jungtinių Arabų Emyratų universiteto (UAEU) ir tyrėjas Alexanderis Hegeris iš Monasho universiteto Fizikos ir astronomijos mokyklos.
Naudodama JWST, komanda tyrė cheminius parašus galaktikoje GS 3073. Šią galaktiką 2022 metais pirmą kartą identifikavo Latifas, Whalenas ir jų kolegos iš įvairių mokslo centrų.
Tuo metu atradimo autoriai nustatė neįprastai aukštą azoto ir deguonies santykį (0,46) – gerokai didesnį, nei gali paaiškinti bet koks žinomas žvaigždžių ar žvaigždinių sprogimų tipas. Tai paskatino juos daryti prielaidą, kad pirmosios Visatos žvaigždės, vadinamos III populiacijos žvaigždėmis, susidarė iš audringų šaltų dujų srautų praėjus vos keliems šimtams milijonų metų po Didžiojo sprogimo.
Mokslininkai taip pat pastebėjo, kad GS 3073 centre yra aktyviai medžiagą ryjanti juodoji skylė, kuri gali būti vienos iš tokių „monstrų žvaigždžių“ liekana. Tokios žvaigždės egzistavimas, jų teigimu, paaiškintų, kodėl JWST aptiko kelis kvazarus, egzistavusius praėjus mažiau nei 1 mlrd. metų po Didžiojo sprogimo.
Tokie objektai taip pat vadinami aktyviaisiais galaktiniais branduoliais (AGB). Juos sukuria galaktikų centruose esantys supermasyvios juodosios skylės, kurios pagreitina į jas krentančias dujas ir dulkes beveik iki šviesos greičio. Dėl to išsiskiria milžiniški energijos kiekiai, o galaktikos branduolys tam tikrą laiką spindi ryškiau už visas jos žvaigždes kartu sudėjus.
Nandalas, Portsmuto universiteto pranešime spaudai komentuodamas tyrimo rezultatus, sakė:
„Cheminės gausos veikia tarsi kosminis piršto atspaudas, o GS 3073 matomas pėdsakas yra visiškai kitoks nei tas, kurį gali sukurti įprastos žvaigždės. Jo ypač didelė azoto gausa atitinka tik vieną mums žinomą šaltinį – pirmines žvaigždes, kurios buvo tūkstančius kartų masyvesnės už Saulę.
Tai rodo, kad pirmoji žvaigždžių karta apėmė iš tiesų supermasyvius objektus, kurie formavo ankstyvąsias galaktikas ir galėjo tapti šiandien stebimų supermasyviųjų juodųjų skylių sėklomis.“
Norėdami patikrinti savo teoriją, Latifas, Whalenas ir jų komanda sukūrė modelius, kaip evoliucionuotų 1 000–10 000 Saulės masių žvaigždės ir kokius cheminius elementus jos gamintų. Taip jiems pavyko nustatyti konkretų mechanizmą, galintį paaiškinti GS 3073 stebėtą azoto ir deguonies santykį.
Procesas prasideda nuo to, kad monstrų žvaigždės savo branduolyje iš helio sintetina anglį. Dalis šios anglies iš branduolio nuteka į aplinkinį sluoksnį, kuriame vyksta vandenilio sintezė. Ten anglis jungiasi su vandeniliu ir sudaro azotą, kuris konvekciniais srautais paskleidžiamas po visą žvaigždę ir galiausiai išmetamas į kosminę erdvę.
Šis procesas tęsiasi tiek laiko, kiek žvaigždės branduolyje iš helio sintetinamas anglis – milijonus metų. Per tą laiką aplinkinė dujų aplinka vis labiau prisotinama azoto, kol pasiekiamas stebimas azoto ir deguonies santykis. Modelis taip pat rodo, kad tokios monstrų žvaigždės savo gyvenimo pabaigoje nesprogsta kaip supernovos, o kolapsuoja tiesiogiai į masyvias juodąsias skyles, kurios ir tampa dabartinių supermasyviųjų juodųjų skylių „sėklomis“.
Mokslininkai nustatė, kad toks azoto parašas neatsiranda žvaigždėse, kurios yra mažesnės ar didesnės už šį masės intervalą. Jei tai pasitvirtins, šios žvaigždės galėtų paaiškinti dvi paslaptis, išryškėjusias ankstesniuose JWST stebėjimuose.
Be to, tyrimo rezultatai suteikia naujų žinių apie Visatą laikotarpiu tarp maždaug 380 000 ir 1 mlrd. metų po Didžiojo sprogimo – vadinamaisiais „Kosminiais tamsiaisiais amžiais“.
Iki šiol šis kosminis epochas buvo praktiškai nepasiekiamas astronomams, nes iš to laikotarpio sklindanti šviesa šiandien yra per silpna, kad ją būtų galima užfiksuoti įprastais instrumentais. Tokiems stebėjimams reikia pažangių infraraudonosios srities optinių sistemų, kokias ir naudoja JWST. Tyrėjai prognozuoja, kad būsimi tyrimai atskleis daugiau galaktikų su panašiu azoto pertekliumi, o tai leis dar išsamiau tirti galimą monstrų žvaigždžių egzistavimą.
„Naujausias mūsų atradimas padeda išspręsti 20 metų trunkančią kosminę mįslę“, – aiškino Whalenas. – „Turėdami GS 3073, mes pagaliau turime pirmuosius stebėjimo įrodymus, kad šios monstrų žvaigždės egzistavo. Šie kosminiai milžinai trumpai, bet nepaprastai ryškiai švietė, o vėliau sužlugo į masyvias juodąsias skyles, palikdami cheminius parašus, kuriuos galime aptikti net po milijardų metų.“
„Tam tikra prasme jie buvo tarsi dinozaurai Žemėje – milžiniški ir primityvūs. Jų gyvenimas taip pat buvo trumpas: vos ketvirtis milijono metų – kosminių mastelių požiūriu tai tik akies mirksnis.“
