ด้วยความสามารถที่พัฒนาขึ้นอย่างมากมายของกล้องโทรทรรศน์ในปัจจุบันนักดาราศาสตร์ได้ตรวจสอบลึกเข้าไปในจักรวาลและย้อนเวลากลับไป ในการทำเช่นนั้นพวกเขาสามารถไขปริศนาอันยาวนานเกี่ยวกับวิวัฒนาการของจักรวาลตั้งแต่บิกแบง หนึ่งในความลึกลับเหล่านี้คือหลุมดำมวลมหาศาล (SMBHs) ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการวิวัฒนาการของกาแลคซีเกิดขึ้นในช่วงต้นของจักรวาลอย่างไร
การใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่มากของ ESO (VLT) ในชิลีทีมนักดาราศาสตร์นานาชาติสังเกตกาแลคซีเนื่องจากพวกมันปรากฏตัวประมาณ 1.5 พันล้านปีหลังจากบิ๊กแบง (แคลิฟอร์เนียเมื่อ 12.5 พันล้านปีก่อน) น่าแปลกที่พวกเขาสำรวจแหล่งก๊าซไฮโดรเจนขนาดใหญ่ที่สามารถให้“ แหล่งอาหาร” ที่เพียงพอสำหรับ SMBH ผลลัพธ์เหล่านี้สามารถอธิบายวิธีที่ SMBH เติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงเวลาที่เรียกว่า Cosmic Dawn
ทีมนำโดยดร. Emanuele Paolo Farina จาก Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) และ Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) เขาได้เข้าร่วมโดยนักวิจัยจากทั้ง MPIA และ MPA, หอดูดาวยุโรปตอนใต้ (ESO), UC Santa Barbara, หอดูดาวดาราศาสตร์ Astceysa, หอดูดาวดาราศาสตร์ฟิสิกส์ดาราศาสตร์และอวกาศของโบโลญญา, และ Max Planck Institute สำหรับฟิสิกส์นอกโลก
นักดาราศาสตร์ได้ศึกษา SMBHs ซึ่งมีอยู่ในแกนกลางของกาแลคซีส่วนใหญ่มานานหลายทศวรรษและถูกระบุโดย Active Galatic Nuclei (AGN) นิวเคลียสเหล่านี้ซึ่งรู้จักกันว่าควาซาร์สามารถเปล่งพลังงานและแสงได้มากกว่าดวงดาวอื่น ๆ ในกาแล็กซี่รวมกัน ในวันที่ไกลที่สุดที่สังเกตได้คือ ULAS J1342 + 0928 ซึ่งอยู่ห่างออกไป 13.1 พันล้านปีแสง
เมื่อประมาณว่าดาวดวงแรกจะก่อตัวขึ้นเมื่อ 100,000 ปีหลังจากบิกแบง (ประมาณ 13.8 พันล้านปีก่อน) นั่นหมายความว่า SMBHs จะต้องก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วจากดวงดาวดวงแรกที่จะตาย จนถึงขณะนี้นักดาราศาสตร์ไม่พบฝุ่นและก๊าซในปริมาณที่สูงพอในช่วงต้นจักรวาลเพื่ออธิบายการเติบโตอย่างรวดเร็วนี้
นอกจากนี้การสำรวจก่อนหน้านี้ที่ดำเนินการกับอาตามาม่าขนาดใหญ่มิลลิเมตร / ซับมิลมิเตอร์ (ALMA) เปิดเผยว่ากาแลคซียุคแรกมีฝุ่นและก๊าซจำนวนมาก การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าจะไม่มีวัสดุเหลือใช้สำหรับการกินหลุมดำมากนักซึ่งทำให้เกิดความลึกลับที่ลึกลงไปอย่างรวดเร็ว
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ Farina และเพื่อนร่วมงานของเขาอาศัยข้อมูลที่รวบรวมโดยเครื่องมือ Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) ของ VLT เพื่อสำรวจ 31 ควาซาร์ในระยะทางราว ๆ 12.5 พันล้านปีแสง สิ่งนี้ทำให้การสำรวจของพวกเขาเป็นหนึ่งในตัวอย่างของควาซาร์ที่ใหญ่ที่สุดจากช่วงแรกของจักรวาล สิ่งที่พวกเขาพบคือเมฆไฮโดรเจน 12 อันที่ขยายและหนาแน่นอย่างน่าประหลาดใจ
เมฆไฮโดรเจนเหล่านี้ถูกระบุโดยลักษณะการเรืองแสงในแสง UV เมื่อพิจารณาถึงระยะทางและผลกระทบของการเปลี่ยนแสงสีแดง (ซึ่งความยาวคลื่นของแสงถูกยืดออกไปเนื่องจากการขยายตัวของเอกภพ) กล้องโทรทรรศน์ดินที่รับรู้การเรืองแสงเป็นแสงสีแดง ดังที่ Farina ได้อธิบายไว้ในการแถลงข่าว MPIA:
“คำอธิบายที่เป็นไปได้มากที่สุดสำหรับแก๊สส่องแสงคือกลไกของการเรืองแสง. ไฮโดรเจนแปลงพลังงานที่อุดมไปด้วยพลังงานของควาซาร์เป็นแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะซึ่งเป็นที่เห็นได้ชัดโดยริบหรี่”
เมฆไฮโดรเจนที่เย็นและหนาแน่นซึ่งมีมวลหลายพันล้านเท่ามวลดวงอาทิตย์ก่อตัวเป็นรัศมีรอบกาแลคซียุคแรกซึ่งยืดออกไป 100,000 ปีแสงจากหลุมดำกลาง โดยปกติการตรวจจับเมฆรอบควาซาร์ (ซึ่งมีความสว่างมาก) นั้นค่อนข้างยาก แต่ต้องขอบคุณความไวของเครื่องดนตรี MUSE ซึ่ง Farina อธิบายว่าเป็น“ ตัวเปลี่ยนเกม” - ทีมพบพวกเขาค่อนข้างเร็ว
ในฐานะที่เป็น Alyssa Drake นักวิจัยของ MPIA ที่มีส่วนในการศึกษาก็กล่าวว่า:
“จากการศึกษาในปัจจุบันเราเพิ่งจะเริ่มตรวจสอบว่าหลุมดำมวลมหาศาลแห่งแรกสามารถพัฒนาอย่างรวดเร็วได้อย่างไร. แต่เครื่องมือใหม่ ๆ เช่น MUSE และกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์ในอนาคตกำลังช่วยเราไขปริศนาที่น่าตื่นเต้นเหล่านี้”
ทีมพบว่ารัศมีก๊าซเหล่านี้ถูกผูกไว้กับกาแลคซีอย่างแน่นหนาโดยให้ "แหล่งอาหาร" ที่สมบูรณ์แบบเพื่อรักษาการก่อตัวดาวฤกษ์อย่างรวดเร็วและการเติบโตของหลุมดำมวลมหาศาล การสำรวจเหล่านี้สามารถแก้ไขความลึกลับของหลุมดำมวลมหาศาลได้อย่างมีประสิทธิภาพตั้งแต่ต้นในประวัติศาสตร์ของจักรวาล เป็น Farina สรุปมัน:
“ตอนนี้เราสามารถแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่ากาแลคซียุคแรกมีอาหารเพียงพอในสภาพแวดล้อมของพวกเขาเพื่อรักษาการเติบโตของหลุมดำมวลมหาศาลและการก่อตัวดาวฤกษ์ที่มีพลัง. นี่เป็นการเพิ่มชิ้นส่วนพื้นฐานให้กับปริศนาที่นักดาราศาสตร์กำลังสร้างภาพว่าโครงสร้างของจักรวาลก่อตัวเมื่อกว่า 12 พันล้านปีก่อน”
ในอนาคตนักดาราศาสตร์จะมีเครื่องมือที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นเพื่อศึกษากาแลคซีและ SMBHs ในเอกภพยุคแรกซึ่งควรเปิดเผยรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเมฆก๊าซโบราณ ซึ่งรวมถึงกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่พิเศษ (ELT) ของ ESO เช่นเดียวกับกล้องโทรทรรศน์อวกาศเช่นกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เว็บบ์ (JWST)
การศึกษาที่อธิบายการค้นพบของทีมปรากฏในฉบับวันที่ 20 ธันวาคม วารสาร Astrophysical.
