Nowo odkryte kwazary przybliżają nas do zarania wszechświata

Wszystko zaczęło się od jednego z najbardziej fundamentalnych pytań, które kiedykolwiek postawiono w kosmologii: jak powstały pierwsze źródła światła i jak zrejonizowały wszechświat?

Po pięciu latach starań, dzięki bardzo gruntownemu przeczesywaniu nieba, partnerzy projektu COSMIC-DAWN (The Emergence of Black Holes and Galaxies in the Universe) poczynili ważny krok w kierunku uzyskania odpowiedzi na to pytanie, a tym samym zrozumienia przejścia z kosmicznych „wieków ciemnych” do kosmosu, jaki znamy dzisiaj. Zidentyfikowanie ponad 50 najodleglejszych, znanych jak dotąd kwazarów, wraz z ogromnym postępem w charakteryzowaniu właściwości fizycznych wczesnych galaktyk, czyni ten projekt niezwykle cennym dla społeczności naukowej.

Dlaczego istotne znaczenie ma lepsze poznanie kwazarów i galaktyk we wczesnych epokach?

Dr Fabian Walter: Znajdując i badając kwazary we wczesnym wszechświecie możemy uzyskać informacje o tworzeniu się pierwszych supermasywnych czarnych dziur i ich macierzystych galaktyk. Teraz wykrywamy kwazary w wieku, kiedy wszechświat miał tylko 750 milionów lat, czyli jedną dwudziestą swojego obecnego wieku. Nadal znajdujemy supermasywne czarne dziury o masie przekraczającej 1 miliard mas Słońca. Masy te konkurują z tymi cechującymi bardziej masywne czarne dziury znalezione w lokalnym wszechświecie. To nakłada trudne ograniczenia na szybkie formowanie się supermasywnych czarnych dziur, ponieważ jest niewiele czasu na uformowanie się takich struktur. Podobnie akrecja supermasywnych czarnych dziur opiera się na zasobach gazu znaczne wzbogaconych chemiczne. Wzbogacenie to można wyjaśnić tylko wcześniejszym powstaniem masywnej gwiazdy. To znowu nakłada istotne ograniczenia na powstawanie gwiazd we wczesnych masywnych galaktykach we wszechświecie.

Czym różni się ten projekt od poprzednich prób zgromadzenia tej wiedzy?

Kwazary są niezwykłą rzadkością i dlatego do ich znalezienia potrzebne są obszerne przeglądy nieba. Nasz zespół miał uprzywilejowany dostęp do najnowszego przeglądu nieba na wielu długościach fal, tzw. Pan-STARRS1. Przegląd prowadzony był w specjalnym obserwatorium na Hawajach i miał na celu, między innymi, znalezienie kwazarów w przesunięciu ku czerwieni, które wcześniej były niedostępne. To umożliwiło zastosowanie nowych technik selekcji (zwłaszcza dzięki czerwonemu filtrowi, który został udostępniony po raz pierwszy właśnie w tym nowym obiekcie). Dzięki tym pracom byliśmy w stanie potroić znaną dotychczas populację kwazarów i znacznie przesunąć granicę przesunięcia ku czerwieni w stronę wcześniejszych okresów kosmosu.

Jakie są wasze najważniejsze odkrycia?

Odnajdywanie kwazarów jest czasochłonne i żmudne, ale ustalenie dużej próbki odległych kwazarów było ważne dla społeczności. Znalezione kwazary można następnie śledzić w najnowszych obserwatoriach multi-lambda (w przestrzeni kosmicznej i na ziemi). Jednym z najważniejszych odkryć jest ustalenie, iż niektóre kwazary występują w dużych gromadach galaktyk, które istniały już, kiedy wszechświat nie miał jeszcze 1 gigaroku. Nasze późniejsze obserwacje pozwoliły także ustalić obecność potężnych ilości gazu, wystarczających do zasilenia procesu powstawania gwiazd, oraz znaleźć dowody na trwający proces powstawania gwiazd w galaktykach macierzystych.

W jaki sposób osiągnęliście takie wyniki?

Niektóre z decydujących wyników uzyskaliśmy obserwując nowo odkryte kwazary za pomocą interferometru ALMA (Atacama Large Millimetre/submillimeter Array) oraz z obserwatorium IRAM NOEMA we francuskich Alpach. Ten pierwszy obiekt zlokalizowany jest w Chile na wysokości 5000 n.p.m. i zapewnia najlepsze jak dotąd obserwacje w paśmie milimetrowym. Obserwacje te były niezbędne do ustalenia obecności gromad galaktyk wokół kwazarów, jak również szczegółowego scharakteryzowania właściwości gazu/pyłu w galaktykach macierzystych.

Jaki wpływ może wywrzeć ten projekt na społeczność naukową?

Nasze wyniki nakładają ostrzejsze ograniczenia na teorie powstawania wczesnych struktur, ponieważ modele kosmologiczne muszą wyjaśniać i uwzględniać obecność czarnych dziur o miliardzie mas Słońca oraz chemicznie wzbogaconego gazu i pyłu. Wyniki tego projektu obserwacyjnego mają bezsprzecznie istotne znaczenie zarówno dla teoretyków, jak i symulacji liczbowych wczesnego wszechświata.

Jakie macie dalsze plany po zakończeniu prac nad projektem, jeżeli jakiekolwiek?

Dotychczas zdołaliśmy skoncentrować się tylko na charakteryzowaniu akrecyjnych supermasywnych czarnych dziur i gazu/pyłu w galaktykach macierzystych kwazarów. Nie odkryto jeszcze żadnych gwiazd w tych galaktykach, choć należałoby oczekiwać, że w kwazarach tych musi istnieć masywny komponent gwiezdny. Prawdopodobnie wynika to z faktu, że centralna jasna emisja z kwazaru, zasilana akrecją centralnej supermasywnej czarnej dziury, zaćmiewa światło gwiazd. Teleskop kosmiczny kolejnej generacji (JWST) być może zdoła w końcu wykryć wczesne gwiazdy będące macierzystymi galaktykami kwazarów. Planujemy przedłożyć kompleksowe programy obserwacji w celu obserwowania próbki kwazarów za pomocą JWST, a przewidywana data rozpoczęcia to początek roku 2019.

COSMIC_DAWN
strona projektu w serwisie CORDIS