Superkomputer rozwiązał zagadkę czerwonych kropek z młodego Wszechświata

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, spoglądając w najdawniejsze zakamarki historii Wszechświata, natrafił na coś, czego nauka nie potrafiła jak dotąd rozgryźć. To zjawisko od dawna spędza sen z oczu astrofizykom.

Chodzi o tak zwane Małe Czerwone Kropki (z angielskiego Little Red Dots, w skrócie LRD) - niezwykle jasne, mocno oddalone od nas obiekty o charakterystycznym czerwonym odcieniu. Większość z nich zarejestrowano z okresu, kiedy kosmos miał zaledwie około 1,5 miliarda lat. Do dziś nie wiadomo z całą pewnością, czym one właściwie są.

Japoński superkomputer wkracza do akcji

Aby rozwikłać tę tajemnicę, naukowcy sięgnęli po moc japońskiego superkomputera Aterui III. Grupa badawcza, którą prowadzi Sunmyon Chon z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka, przygotowała jak dotąd najbardziej precyzyjną symulację odtwarzającą warunki panujące w młodym kosmosie.

Model badaczy startował od warunków otaczających galaktykę we wczesnym Wszechświecie, a potem schodził do poziomu pojedynczych obłoków gazu. Tak szczegółowe i obliczeniowo kosztowne symulacje udało się przeprowadzić właśnie dzięki ogromnej rozdzielczości komputera Aterui III.

Z symulacji wynika, że miliardy lat temu istniał swego rodzaju kosmiczny hamulec dla powstawania gwiazd. Silne promieniowanie z dalekiego ultrafioletu (FUV), emitowane przez sąsiadujące galaktyki, blokowało formowanie się gwiazd w obłokach gazowych. Zamiast rozpadać się na mnóstwo drobnych gwiazd, gaz mógł skondensować się w jedną, ogromną, supermasywną gwiazdę, która później zapadała się, tworząc zarodek czarnej dziury.

Badacze odkryli też, że w tamtym okresie zachodziły procesy niemożliwe do powtórzenia w obecnym Wszechświecie. Symulacje ukazują, że nowo powstałe zarodki czarnych dziur były otoczone gęstymi dyskami z gazu. Taka otoczka blokowała promieniowanie, co pozwalało czarnym dziurom rosnąć dziesiątki razy szybciej, niż byłoby to możliwe dzisiaj.

Parametry uzyskane dla tak intensywnie rosnących czarnych dziur okazały się zgodne z obrazem Małych Czerwonych Kropek zaobserwowanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Rezultaty tych badań opisano na łamach cenionego czasopisma Nature.

Wyjaśnienie bez potrzeby egzotycznych hipotez

Jednym z najbardziej intrygujących problemów astronomii jest to, w jaki sposób supermasywne czarne dziury - o masie milionów, a nawet miliardów Słońc - zdołały uformować się już w czasie krótszym niż 600 milionów lat od Wielkiego Wybuchu. Najwybitniejsi astrofizycy próbują znaleźć odpowiedź na to pytanie od kilkudziesięciu lat.

Wiązano duże nadzieje z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba, który miał dać wgląd w słabiej widoczne i bardziej odległe galaktyki, przybliżając rozwiązanie zagadki.

Z uwagi na to, że światło rozchodzi się z ograniczoną prędkością, obserwacja dalekich obiektów jest de facto zaglądaniem w przeszłość. Gdy patrzymy na galaktykę znajdującą się 11 miliardów lat świetlnych od nas, to znaczy, że jej światło wędrowało do nas aż 11 miliardów lat - a więc widzimy ją taką, jaka była w chwili, kiedy to światło ją opuszczało. Analogicznie, promieniowanie z galaktyki odległej o 12 miliardów lat świetlnych ma dokładnie tyle lat.

JWST umożliwił zajrzenie w przeszłość głębiej niż jakikolwiek instrument wcześniej, jednak zamiast dać jednoznaczną odpowiedź na pytanie o tempo wzrostu czarnych dziur, wykrył zupełnie nową grupę niewielkich, zagadkowych i skrajnie czerwonych obiektów - właśnie Małe Czerwone Kropki.

Nowe symulacje wskazują, że to właśnie LRD są kluczem do rozwiązania zagadki błyskawicznego wzrostu czarnych dziur - i odpowiedź ta okazuje się zaskakująco prosta. W przeprowadzonym modelu takie rezultaty pojawiły się jako naturalny efekt warunków panujących w młodym Wszechświecie, bez potrzeby zakładania jakichkolwiek nietypowych scenariuszy czy zdarzeń o niskim prawdopodobieństwie.