Astronomii au descoperit cel mai extrem exemplu de până acum de gaură neagră care este mai masivă decât propria galaxie și ar putea ascunde indicii despre cum s-au format găurile negre supermasive văzute astăzi în Universul timpuriu, conform unui nou studiu bazat pe date obținute de Telescopul Spațial James Webb (JWST) și publicat pe 27 mai în revista Nature, transmite joi Space.com.

În noul studiu, astronomii au măsurat direct masa unei găuri negre situate într-un ''mic punct roșu'' văzut când Universul avea doar 700 de milioane de ani. Rezultatele sugerează că gaura neagră este mult prea masivă pentru galaxia gazdă - ceea ce înseamnă că s-ar fi putut forma înainte ca galaxia însăși să aibă șansa de a se dezvolta.

Punctele roșii mici (LRD) sunt o clasă misterioasă de obiecte detectate în Universul timpuriu. LRD-ul în cauză, Abell 2744-QSO1 (sau doar ''QSO1''), a fost descoperit în imaginile Telescopului Spațial James Webb (JWST) în 2023. Era compact și puternic lentilat - apărând de trei ori în imagine, deoarece lumina sa era deformată de efecte gravitaționale puternice - și prezenta semne revelatoare ale unei găuri negre care se hrănește activ în centrul său. Estimările indirecte ale masei găurii negre, bazate pe proprietățile spectrale, s-au bazat pe presupuneri calibrate în Universul local și au fost intens dezbătute. Unii cercetători susțin că micile puncte roșii sunt atât de enigmatice încât presupunerile standard din Universul local nu le pot explica și că ar putea fi implicate alte fenomene exotice.

În acest caz, astronomii au adoptat o abordare mai directă și au cartografiat cât de repede se rotește gazul la diferite distanțe de centru pentru a estima masa găurii negre. Constatările sugerează că metodele folosite de astronomi pentru a studia găurile negre din Universul apropiat ar putea funcționa la fel de bine pentru aceste mici puncte roșii.

''Această măsurătoare este prima de acest tip într-un LRD, cel puțin deocamdată'', a declarat pentru Live Science, prin e-mail, Ignas Juodzbalis, doctorand la Institutul Kavli pentru Cosmologie de la Universitatea din Cambridge și primul autor al studiului.

Estimările indirecte anterioare plasaseră masa găurii negre QSO1 la aproximativ 40 de milioane de mase solare - remarcabil de mare pentru un sistem atât de compact și tânăr. Cu cât gaura neagră este mai mare și mai izolată în raport cu împrejurimile sale, cu atât este mai mare sfera sa de influență - regiunea în care gravitația sa domină asupra stelelor și gazului din jurul ei. Prin urmare, o gaură neagră cu masă mare face mai ușoară detectarea influenței sale gravitaționale în mișcările gazului din apropiere.

În plus, roiul de galaxii Abell 2744 - situat între noi și QSO1 - este atât de masiv încât gravitația sa acționează ca o lupă, generând un efect cunoscut drept lentilă gravitațională, fapt care a făcut posibile observațiile.

Tehnica de măsurare s-a bazat pe principiul că gazul care orbitează o gaură neagră se mișcă mai repede cu cât se apropie mai mult de aceasta. Prin cartografierea vitezei cu care se mișcă gazul la diferite distanțe de centrul QSO1, echipa a putut lucra invers pentru a calcula masa a ceea ce se afla în centru.

Echipa a folosit Spectrograful în Infraroșu Apropiat (Near-Infrared Spectrograph) al JWST pentru a extrage hărți ale liniilor de emisie ale hidrogenului, urmărind care părți ale QSO1 se deplasau spre noi și care se îndepărtau. Dar obiectul era atât de mic și îndepărtat încât semnalul de rotație din regiunile interioare a scăzut sub ceea ce JWST putea observa direct.

Așadar, astronomii au folosit spectroastrometria, o tehnică ce măsoară mici deplasări poziționale în lumina emisă de gazul incandescent pe diferite lungimi de undă. Această metodă poate recupera informații spațiale mult sub rezoluția nominală a telescopului. ''În acest fel, am reușit să reconstruim curba de rotație sub rezoluția instrumentală a JWST'', a explicat Juodzbalis.

Rezultatele au fost apoi ajustate cu diferite modele de masă. O masă punctuală, unde toată greutatea este concentrată într-o singură locație, ca într-o gaură neagră, a corespuns datelor, în timp ce varianta unei distribuții compacte, dar extinse, de masă, cum ar fi un roi de stele compact, nu a corespuns. Ca o verificare independentă, co-autorul Cosimo Marconcini, doctorand în astronomie și fizică la Universitatea din Florența, a trecut întregul set de date printr-un cadru 3D pe care l-a dezvoltat, care modelează atât mișcarea gazului, cât și efectele instrumentale ale telescopului și a ajuns la același rezultat. Juodzbalis a spus că această confirmare independentă a fost cea care a dat rezultatului greutatea sa.

Analiza a arătat că observațiile sunt cel mai bine explicate de o gaură neagră de aproximativ 50 de milioane de mase solare. Echipa este ''rezonabil de încrezătoare'' că aceasta este într-adevăr o gaură neagră, mai degrabă decât alt obiect cosmic. Dacă ar fi să încercăm să explicăm rezultatele printr-un roi stelar cu o margine solidă, a spus Juodzbalis, ar fi mult mai exotic și dificil de justificat decât o gaură neagră.

Interesant este că noua măsurătoare s-a aliniat îndeaproape cu estimarea indirectă anterioară. Juodzbalis a avertizat că un singur obiect nu reprezintă o întreagă populație. Cu toate acestea, rezultatul sugerează masa standard indirectă a unei găuri negre.

Măsurătorile dezvoltate pentru Universul local ar putea funcționa și pentru obiectele LRD. ''S-ar putea să nu fie nevoie să invocăm ceva prea exotic pentru a explica proprietățile Punctelor Roșii Mici'', a spus el.

Echipa a plasat o limită superioară a masei stelelor din galaxia gazdă la aproximativ 20 de milioane de mase solare. Aceasta înseamnă că gaura neagră depășește semnificativ în greutate întreaga galaxie gazdă. Astronomii numesc astfel de obiecte găuri negre ''goale'', iar QSO1 pare a fi cea mai masivă de acest fel descoperită vreodată.

Cu gaura sa neagră masivă și galaxia sa gazdă aproape absentă, QSO1 pare a fi o sămânță masivă de gaură neagră prinsă în primele etape de creștere, înainte ca galaxia sa să aibă șansa de a se dezvolta în jurul ei. Această descoperire contestă imaginea standard în care găurile negre cresc împreună cu galaxia lor de-a lungul a miliarde de ani.

Echipa a luat în considerare două scenarii exotice de origine pentru această gaură neagră: găuri negre cu colaps direct, care se formează atunci când nori masivi de gaz pur se prăbușesc direct într-o gaură neagră fără a forma mai întâi stele, și găuri negre primordiale, care s-ar fi format în prima secundă după Big Bang.

''Ambele scenarii sunt exotice, iar datele și teoria actuale nu sunt în măsură să le distingă pe deplin'', a recunoscut Juodzbalis. AGERPRES/(AS - editor: Codruț Bălu, editor online: Gabriela Badea)