Aktyvūs galaktikų branduoliai ankstyvojoje Visatoje

Aktyvūs galaktikų branduoliai ankstyvojoje Visatoje

Kvazarai ir šviesūs AGN kaip spartaus akrecijos į centrines juodąsias skyles švyturiai

Ankstyvojoje galaktikų formavimosi epochoje kai kurie objektai šviesumu gerokai pralenkė ištisas galaktikas, jų spindesys buvo matomas kosminėse platybėse net tūkstančius kartų ryškesnis. Šie nepaprastai šviesūs objektai – aktyvūs galaktikų branduoliai (AGN) ir, esant didžiausiam šviesiui, kvazarai – įcentrino gausų energijos ir spinduliuotės kiekį, kilusį iš sparčios akrecijos į supermasyvias juodąsias skyles (SMBH). Nors AGN egzistuoja per visą kosminę istoriją, jų aptikimas ankstyvojoje Visatoje (pirmajame milijarde metų po Didžiojo sprogimo) suteikia esminių užuominų apie ankstyvąju juodųjų skylių augimą, galaktikų sąveikas bei stambiosios struktūros formavimąsi. Šiame straipsnyje aptarsime, kaip AGN maitinami, kaip jie atrasti esant dideliems raudoniesiems poslinkiams ir kokią informaciją jie suteikia apie dominuojančius fizikos procesus ankstyvojoje Visatoje.

1. Aktyviųjų galaktikų branduolių esmė

1.1 Apibrėžtis ir komponentai

Aktyvus galaktikos branduolys (AGN) – tai kompaktiškas regionas galaktikos centre, kuriame supermasyvi juodoji skylė (nuo kelių milijonų iki kelių milijardų Saulės masių) pritraukia dujas ir dulkes. Šis procesas gali išlaisvinti milžiniškus energijos kiekius, apimančius visą elektromagnetinį spektrą: radijo, IR, optinį, UV, rentgeno ir net gama srityse. Pagrindiniai AGN bruožai:

  1. Akrecinis diskas: Besisukančių dujų diskas aplink juodąją skylę, spinduliuojantis efektyviai (dažnai ties Eddingtono riba).
  2. Plataus ir siaurojo spektro linijos: Dujų debesys, esantys skirtingu atstumu nuo juodosios skylės, skleidžia spektrines linijas su skirtingais greičio išplėtimais, sudarydami būdingus „plačios linijos“ ir „siauros linijos“ regionus.
  3. Ištekėjimai (outflows) ir čiurkšlės: Kai kurie AGN sukuria galingas čiurkšles – reliatyvistinius dalelių srautus, išeinančius už galaktikos ribų.

1.2 Kvazarai kaip ryškiausi AGN

Kvazarai (quasi-stellar objects, QSO) — tai labiausiai spindintys AGN. Jie gali dešimtimis ar šimtais kartų pranokti savo pačių galaktikų šviesį. Dideliuose raudonuosiuose poslinkiuose kvazarai dažnai tarnauja kaip kosminiai „švyturiai“, leidžiant astronomams tirti ankstyvąsias Visatos sąlygas, nes jie yra nepaprastai ryškūs. Dėl tokio didelio šviesio juos galima aptikti net labai tolimuose atstumuose, naudojant didelius teleskopus.

2. AGN ir kvazarai ankstyvojoje Visatoje

2.1 Dideliame raudonajame poslinkyje aptiktieji

Stebėjimais nustatyta kvazarų ties z ∼ 6–7 ar net daugiau, reiškiančių, kad kelių šimtų milijonų ar net milijardų Saulės masių juodosios skylės egzistavo dar nepraėjus 800 mln. metų nuo Didžiojo sprogimo. Žymūs pavyzdžiai:

  • ULAS J1120+0641 ties z ≈ 7,1.
  • ULAS J1342+0928 ties z ≈ 7,54, kur juodosios skylės masė siekia kelis šimtus milijonų M⊙.

Tokių itin šviesių objektų aptikimas tokiose ankstyvose epochose iškelia pamatinius klausimus apie juodųjų skylių sėklų (pradinių masių) formavimąsi bei spartų jų augimą.

2.2 Augimo iššūkiai

Išauginti ~109 M⊙ supermasyvią juodąją skylę vos per mažiau nei milijardą metų mesti rimtą iššūkį paprastoms akrecijos teorijoms, apribotoms Eddingtono riba. Vadinamosios „sėklos“ turėjo būti pakankamai didelės nuo pradžių arba pergyventi epizodus su virš-Eddingtonine akrecija. Šie duomenys rodo, kad ankstyvosiose galaktikose galėjo egzistuoti neįprastos arba bent jau optimizuotos sąlygos (pvz., dideli dujų srautai, tiesioginio kolapso juodosios skylės, ar „bėgantis“ masyvių žvaigždžių susijungimas).

3. Akrecijos mechanizmai: ugnyje gimstančio žibinto kuras

3.1 Akrecinis diskas ir Eddingtono riba

Kvazarų švytėjimo pagrindas – tai akrecinis diskas: dujos, spirališkai žengdamos link juodosios skylės įvykio horizonto, konvertuoja gravitacinę energiją į šilumą ir šviesą. Eddingtono riba apibrėžia maksimalų šviesumą (ir apytikslę masės augimo spartą), esant kuriai spinduliuotės slėgis balansuojasi su gravitacine trauka. Juodosios skylės masei MBH galioja:

LEdd ≈ 1,3 × 1038 (MBH / M⊙) erg s−1.

Dėl stabilios akrecijos, artimos Eddingtonui, juodoji skylė gali sparčiai augti, ypač jei pradinė sėkla siekia 104–106 M⊙. Trumpi viršijantys Eddingtono normą epizodai (pvz., dujų gausioje aplinkoje) galėtų kompensuoti likusį masės trūkumą.

3.2 Dujų tiekimas ir kampinis momentas

Kad AGN galėtų išlaikyti švytėjimą, reikalingas gausus šaltų dujų tiekimas į galaktikos centrą. Ankstyvojoje Visatoje:

  • Dažni susijungimai: Didelis susijungimų dažnis ankstyvuoju metu nukreipdavo daug dujų į galaktikos branduolį.
  • Pirminiai diskai: Kai kurios protogalaktikos turėjo besisukančias dujų disko struktūras, nukreipiančias medžiagą į centrą.
  • Grįžtamasis ryšys: AGN vėjai ar spinduliuotė gali išpūsti ar pašildyti dujas, galimai savireguliuodami tolimesnę akreciją.

4. Stebėjimo požymiai ir metodai

4.1 Įvairaus bangų ilgio „paieškos“

Dėl įvairaus ilgio bangų emisijos, tolimi AGN aptinkami ir tiriami naudojant skirtingas sritis:

  • Optinės/IR apklausos: Tokie projektai kaip SDSS, Pan-STARRS, DES, misijos WISE ar JWST nustato kvazarus pagal spalvų pasirinkimą ar spektrinius bruožus.
  • Rentgeno stebėjimai: Akreciniai diskai ir karštos koronos sukuria gausius rentgeno fotonus. Chandra ir XMM-Newton gali nustatyti blankius, bet nutolusius AGN.
  • Radijo apklausos: Radijo-triukšmingiems kvazarams būdingos galingos čiurkšlės, matomos VLA, LOFAR ar ateityje SKA duomenyse.

4.2 Emisijos linijos ir raudonasis poslinkis

Kvazarų spektruose dažniausiai stebimos stiprios plačios emisijos linijos (pvz., Lyα, CIV, MgII) UV/optinėje srityje. Linijų matavimas leidžia:

  1. Nustatyti raudonąjį poslinkį (z): Atskleidžiantis atstumą ir kosminę epochą.
  2. Įvertinti juodosios skylės masę: Remiantis linijų pločiu ir kontinuumo šviesiu galima apytikriai nustatyti plačių linijų regiono dinamiką (vad. viariniai metodai).

4.3 Slopinimo pakraščiai (damping wings) ir tarpgalaktinė terpė

Esant z > 6, neutralus vandenilis tarpgalaktinėje terpėje gali palikti žymę kvazarų spektruose. Gunn-Peterson ruožai ir damping wing efektai Lyα linijoje rodo aplinkos dujų jonizacijos būseną. Taigi ankstyvieji AGN teikia rejonizacijos epochos matavimo galimybę — proga tirti, kaip kosminė rejonizacija plėtėsi apie šviesius šaltinius.

5. Grįžtamasis ryšys iš ankstyvųjų AGN

5.1 Spinduliuotės slėgis ir ištekėjimai

Aktyvios juodosios skylės generuoja stiprų spinduliuotės slėgį, galintį sukelti galingus ištekėjimus (winds):

  • Dujų pašalinimas: Mažuose haluose tokie vėjai gali išpūsti dujas ir stabdyti žvaigždėdarą.
  • Cheminis praturtinimas: AGN ištekėjimai gali pernešti metalus į galaktikos aplinką ar tarpgalaktinę terpę.
  • Teigiamas grįžtamasis ryšys?: Smūginės bangos iš ištekėjimų gali suspausti toliau esančius dujų debesis, kartais įžiebdamos naują žvaigždėdarą.

5.2 Žvaigždėdaros ir juodosios skylės augimo balansas

Naujausios simuliacijos rodo, kad AGN grįžtamasis ryšys gali reguliuoti tiek pačios juodosios skylės, tiek jos šeimininkės galaktikos raidą. Jei SMBH masė auga per greitai, intensyvus grįžtamasis ryšys gali sustabdyti tolimesnę dujų pritrauką, sukeldamas save ribojantį kvazaro aktyvumo ciklą. Kita vertus, nuosaikus AGN aktyvumas gali padėti palaikyti žvaigždėdarą, neleidžiant dujoms pernelyg kauptis centre.

6. Poveikis kosminei rejonizacijai ir stambiąjai struktūrai

6.1 Indėlis į rejonizaciją

Nors manoma, kad pagrindinį vaidmenį vandenilio rejonizacijoje atliko ankstyvosios galaktikos, kvazarai ir AGN dideliame raudonajame poslinkyje taip pat generavo jonizuojančius fotonus, ypač aukštos energijos (rentgeno) diapazone. Nors retesni, tokie šviesūs kvazarai kiekvienas skleidžia milžinišką UV srautą, gebėdami išpūsti didelius jonizuotus „burbulus“ neutralioje tarpgalaktinėje terpėje.

6.2 Stambesnių perteklinių regionų rodikliai

Dideliame raudonajame poslinkyje aptikti kvazarai dažniausiai glūdi labiausiai per tankiuose regionuose — galimuose būsimuosiuose spiečių centruose. Jų stebėjimai teikia galimybę išryškinti besiformuojančias stambias struktūras. Kvazarų aplinkos sutankėjimų matavimai padeda aptikti protospiečius ir kosminio tinklo kūrimąsi ankstyvojoje epochoje.

7. Evoliucinis vaizdas: AGN per kosminį laiką

7.1 Kvazarų aktyvumo viršūnė

ΛCDM scenarijuje kvazarų aktyvumo maksimumas fiksuojamas apie z ∼ 2–3, kai Visatos amžius siekė kelis milijardus metų — dažnai vadinama „kosmine diena“ dėl žvaigždėdaros ir AGN gausos. Vis dėlto itin ryškūs kvazarai net ties z ≈ 7 rodo, kad spartus juodųjų skylių augimas vyko gerokai iki šios aktyvumo viršūnės. z ≈ 0 epochoje daugelis SMBH vis dar egzistuoja, tačiau dėl riboto kuro šaltinio veikia menkesniu režimu ar tampa ramiais AGN.

7.2 Bendra evoliucija kartu su šeimininkėmis galaktikomis

Stebėjimai rodo korliacijas, pavyzdžiui, MBH–σ ryšį: juodosios skylės masė koreliuoja su galaktikos telkinio mase ar greičio dispersija, siūlydama bendraevoliucijos scenarijų. Dideliame raudonajame poslinkyje randami kvazarai greičiausiai reiškia aktyvumo „spurtą“, kai gausūs dujų srautai maitino tiek žvaigždžių kilimą, tiek AGN.

8. Dabartiniai iššūkiai ir ateities kryptys

8.1 Pirmosios juodosios skylės „sėklos“

Svarbiausias neaiškumas tebėra: Kaip užsimezgė pirmosios juodųjų skylių „sėklos“ ir kodėl jos taip greitai išaugo? Nagrinėjamos idėjos: masyvios III populiacijos žvaigždžių liekanos (~100 M⊙) ir tiesioginio kolapso juodosios skylės (~104–106 M⊙). Norint nustatyti, kuris kanalas dominuoja, reikės išsamesnių stebėjimų ir rafinuotų teorinių modelių.

8.2 Peržengiant z > 7 ribą

Plečiantis apklausoms, kvazaro atradimai z ≈ 8 ar net aukštesniame raudonajame poslinkyje mus nukelia į ~600 milijonų metų po Didžiojo sprogimo laikotarpį. Džeimso Webbo kosminis teleskopas (JWST), ateities 30–40 m klasės teleskopai ir būsimos misijos (Roman ir kt.) turėtų aptikti daugiau AGN dar toliau, detalizuodami ankstyviausius SMBH augimo ir rejonizacijos etapus.

8.3 Gravitacinių bangų signalai iš juodųjų skylių susijungimų

Ateities kosminių gravitacinių bangų detektoriai, pvz. LISA, vieną dieną gali užfiksuoti masyvių juodųjų skylių susijungimus dideliame raudonajame poslinkyje. Tai suteiks unikalų žvilgsnį, kaip sėklos ir ankstyvosios SMBH susijungė pirmajame Visatos milijarde metų.

9. Išvados

Aktyvūs galaktikų branduoliai, ypač patys šviesiausi kvazarai, yra svarbūs liudininkai ankstyvosios Visatos epochai: jie spindi iš laikotarpio, kai nuo Didžiojo sprogimo praėjo tik keli šimtai milijonų metų. Toks jų egzistavimas leidžia daryti išvadą apie stulbinamai greitą masyvių juodųjų skylių susiformavimą, kvestionuojant pamatinius „sėklų“ kilmės, akrecijos fizikų ir grįžtamojo ryšio modelius. Tuo pat metu intensyvi AGN radiacija formuoja šeimininkių galaktikų raidą, reguliuoja žvaigždėdarą vietos mastu ir net gali prisidėti prie stambaus masto rejonizacijos.

Dabartinės stebėjimų iniciatyvos ir pažangios simuliacijos pamažu užpildo šiuos klausimus, remdamosi naujais JWST duomenimis, patobulintų antžeminių spektrografų analize bei (ateityje) gravitacinių bangų astronomija. Kiekvienas naujas tolimas kvazaras stumia pažinimo ribą tolyn į kosminę praeitį, primindamas, kad net Visatos jaunystėje egzistavo titaniškos juodosios skylės, apšviesdamos tamsą ir rodydamos, kokia aktyvi bei greitai besivystanti buvo ankstyva Visata.

Nuorodos ir platesnis skaitymas

  1. Fan, X., et al. (2006). “Observational Constraints on Cosmic Reionization.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 44, 415–462.
  2. Mortlock, D. J., et al. (2011). “A luminous quasar at a redshift of z = 7.085.” Nature, 474, 616–619.
  3. Wu, X.-B., et al. (2015). “An ultraluminous quasar with a twelve-billion-solar-mass black hole at redshift 6.30.” Nature, 518, 512–515.
  4. Volonteri, M. (2012). “The Formation and Evolution of Massive Black Holes.” Science, 337, 544–547.
  5. Inayoshi, K., Visbal, E., & Haiman, Z. (2020). “The Assembly of the First Massive Black Holes.” Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 58, 27–97.
Grįžti į tinklaraštį