Η εικόνα του νεαρού Σύμπαντος γίνεται ακόμη πιο παράξενη: σε έναν γαλαξία τόσο μακρινό ώστε το φως του ταξίδεψε περίπου 12,5 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσει στη Γη, οι αστρονόμοι εντόπισαν τρεις ενεργές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες. Ο γαλαξίας, με την καταχώριση J0148-4214, μάς εμφανίζεται όπως ήταν λιγότερο από 1,3 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Τι είδαν οι ερευνητές
Το James Webb Space Telescope δεν μπορούσε να «δει» απευθείας τις μαύρες τρύπες. Οι ερευνητές αξιοποίησαν τη μονάδα φασματοσκοπίας ολοκληρωμένου πεδίου του οργάνου NIRSpec, μετρώντας την κίνηση του υδρογόνου που περιστρέφεται με μεγάλη ταχύτητα γύρω από τους δίσκους προσαύξησης. Η συμπεριφορά αυτού του αερίου αποκάλυψε τρεις ξεχωριστές ενεργές πηγές.
Η μέτρηση έδωσε επίσης εκτιμήσεις για τις μάζες των μαύρων τρυπών, τους ρυθμούς προσαύξησης και τη συνολική αστρική μάζα του γαλαξία, η οποία υπολογίζεται σε περίπου 1,3 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες.
Ένα άνισο τρίο σε κοσμική κλίμακα
Δύο από τις μαύρες τρύπες βρίσκονται κοντά στο κέντρο του J0148-4214, σε απόσταση περίπου 620 ετών φωτός μεταξύ τους. Η μεγαλύτερη έχει μάζα περίπου 80 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Ήλιου, ενώ η μικρότερη φτάνει περίπου τις 600.000 ηλιακές μάζες.
Παρά το πολύ μικρότερο μέγεθός της, η δεύτερη μεγαλώνει με εξαιρετικά γρήγορο ρυθμό, καθώς συσσωρεύει αέριο πάνω από το όριο Eddington. Πρόκειται για το θεωρητικό ανώτατο όριο με το οποίο μπορεί να τροφοδοτείται μια μαύρη τρύπα: όταν η προσαύξηση γίνει υπερβολικά έντονη, η ακτινοβολία από τον δίσκο γίνεται αρκετά ισχυρή ώστε να απωθεί ύλη και να περιορίζει την περαιτέρω ανάπτυξη.
Η τρίτη μαύρη τρύπα βρίσκεται περίπου 5.500 έτη φωτός από το κέντρο του γαλαξία και έχει μάζα περίπου δύο εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από του Ήλιου. Είναι περίπου η μισή από τη μάζα της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας Sagittarius A* που βρίσκεται στο κέντρο του δικού μας Γαλαξία.
Γιατί η ανακάλυψη έχει σημασία
Η εύρεση τριών ενεργών μαύρων τρυπών στον ίδιο γαλαξία αποτελεί την πρώτη τέτοια ένδειξη στο μακρινό Σύμπαν. Προσφέρει ισχυρή στήριξη στην ιδέα ότι οι συγχωνεύσεις γαλαξιών και μαύρων τρυπών μπορεί να ήταν ένας γρήγορος τρόπος με τον οποίο τα υπερμεγέθη αντικείμενα απέκτησαν τόσο μεγάλες μάζες σε τόσο μικρή κοσμική ηλικία.
Το τρίο έχει ιδιαίτερη αξία επειδή αγγίζει ένα από τα δυσκολότερα ερωτήματα της κοσμολογίας: πώς σχηματίστηκαν μαύρες τρύπες με εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες όταν το Σύμπαν ήταν ακόμη τόσο νέο. Οι ερευνητές θεωρούν ότι η τρίτη μαύρη τρύπα —και πιθανώς η μικρότερη από τις δύο κεντρικές— μπορεί να έφτασε στον γαλαξία μέσω παλαιότερων συγχωνεύσεων γαλαξιών.
Ωστόσο, η παρατήρηση δεν αποδεικνύει ότι και οι τρεις θα συγκρουστούν. Η τρίτη μπορεί να βρίσκεται σε τροχιά που τελικά θα την οδηγήσει έξω από τον γαλαξία. Το σενάριο συνδέεται με το κλασικό πρόβλημα των τριών σωμάτων: οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις μπορούν να ανταλλάξουν στροφορμή και να εκτινάξουν ένα από τα μέλη με μεγάλη ταχύτητα, όπως συμβαίνει με άστρα που εκτοξεύονται από περιοχές γύρω από τη Sagittarius A*.
Ένα παράθυρο για τα βαρυτικά κύματα
Αν οι μαύρες τρύπες τελικά συγχωνευθούν, θα παραγάγουν βαρυτικά κύματα. Τα σημερινά επίγεια παρατηρητήρια, όπως τα LIGO, Virgo και KAGRA, είναι σχεδιασμένα κυρίως για τα υψηλής συχνότητας κύματα από συγχωνεύσεις αστρικών μαύρων τρυπών. Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, αντίθετα, εκπέμπουν πολύ μεγαλύτερου μήκους κύματος σήματα.
Για την ανίχνευσή τους χρειάζεται ένα διαστημικό παρατηρητήριο με τεράστια βασική γραμμή. Η Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος σχεδιάζει για αυτόν τον σκοπό την αποστολή LISA, με τρία διαστημόπλοια σε τριγωνικό σχηματισμό και πλευρές μήκους περίπου 2,5 εκατομμυρίων χιλιομέτρων. Τα λέιζερ μεταξύ των σκαφών θα αναζητούν απειροελάχιστες μεταβολές στον χρόνο διαδρομής τους, που θα προδίδουν τη διέλευση βαρυτικών κυμάτων.
Το J0148-4214 δεν είναι απλώς μια σπάνια κοσμική «οικογένεια». Είναι ένα στιγμιότυπο από την εποχή όπου οι πρώτες υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έπρεπε να μεγαλώσουν πολύ γρήγορα — και μια ένδειξη ότι οι συγχωνεύσεις ίσως έπαιξαν σε αυτή τη διαδικασία μεγαλύτερο ρόλο απ’ όσο μπορούσαμε μέχρι τώρα να δούμε.