ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมานักดาราศาสตร์สามารถมองเข้าไปในจักรวาลได้ไกลขึ้นและย้อนเวลากลับไปจนเกือบจะเป็นจุดเริ่มต้นของจักรวาล ในการทำเช่นนั้นพวกเขาได้เรียนรู้มากมายเกี่ยวกับกาแลคซีแรกสุดในจักรวาลและวิวัฒนาการตามมา อย่างไรก็ตามยังมีบางสิ่งที่ยังคงอยู่นอกขอบเขตเช่นเมื่อกาแลคซีที่มีหลุมดำมวลมหาศาล (SMBHs) และเครื่องบินไอพ่นขนาดใหญ่ปรากฏตัวครั้งแรก
จากการศึกษาล่าสุดจากโรงเรียนนานาชาติเพื่อการศึกษาขั้นสูง (SISSA) และทีมนักดาราศาสตร์จากญี่ปุ่นและไต้หวันได้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับวิธีที่หลุมดำมวลมหาศาลเริ่มก่อตัวเมื่อ 800 ล้านปีหลังจากบิกแบงและเจ็ตที่เกี่ยวข้องน้อยกว่า 2 พันล้านปี หลังจาก. ผลลัพธ์เหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของกรณีที่กำลังเติบโตซึ่งแสดงให้เห็นว่าวัตถุขนาดใหญ่ในจักรวาลของเราก่อตัวเร็วกว่าที่เราคิด
นักดาราศาสตร์รู้จัก SMBH มานานกว่าครึ่งศตวรรษ ในเวลาต่อมาพวกเขาก็ตระหนักว่ากาแลคซีขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ (รวมถึงทางช้างเผือก) มีแกนกลางอยู่ด้วย บทบาทที่พวกเขาเล่นในวิวัฒนาการของกาแลคซีก็เป็นเรื่องของการศึกษาด้วยนักดาราศาสตร์สมัยใหม่สรุปว่าพวกเขาเกี่ยวข้องโดยตรงกับอัตราการก่อตัวดาวฤกษ์ในกาแลคซี
ในทำนองเดียวกันนักดาราศาสตร์พบว่า SMBH มีดิสก์สะสมมวลสารรอบตัวซึ่งมีก๊าซและฝุ่นถูกเร่งให้ใกล้เคียงกับความเร็วแสง สิ่งนี้ทำให้ศูนย์กลางของกาแลคซีบางจุดสว่างมาก - สิ่งที่เรียกว่านิวเคลียสกาแลกติก (active galactic nuclei (AGNs)) ที่เปล่งแสงดวงดาวในดิสก์ ในบางกรณีดิสก์การสะสมเหล่านี้ยังนำไปสู่ไอพ่นร้อนที่สามารถมองเห็นได้นับพันล้านปีแสง
ตามแบบจำลองทั่วไปกาแลคซีไม่มีเวลาพอที่จะพัฒนาหลุมดำกลางเมื่อเอกภพมีอายุน้อยกว่าหนึ่งพันล้านปี (ประมาณ 13 พันล้านปีก่อน) อย่างไรก็ตามการสำรวจล่าสุดแสดงให้เห็นว่าหลุมดำกำลังก่อตัวขึ้นที่ใจกลางกาแลคซีในเวลานั้น การพูดถึงสิ่งนี้ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก SISSA เสนอรูปแบบใหม่ที่เสนอคำอธิบายที่เป็นไปได้
สำหรับการศึกษาของพวกเขาซึ่งนำโดย Lumen Boco - ปริญญาเอก นักเรียนจากสถาบันฟิสิกส์พื้นฐานแห่งจักรวาล (IFPU) - ทีมเริ่มต้นด้วยความจริงที่รู้จักกันดีว่า SMBHs เติบโตในภูมิภาคกลางของกาแลคซียุคแรก วัตถุเหล่านี้ซึ่งเป็นบรรพบุรุษของกาแลคซีรูปไข่ในปัจจุบันมีความเข้มข้นของก๊าซสูงมากและมีอัตราการก่อตัวดาวฤกษ์ใหม่อย่างรุนแรง
ดาวรุ่นแรกในกาแลคซีเหล่านี้มีอายุสั้นและพัฒนาอย่างรวดเร็วกลายเป็นหลุมดำที่ค่อนข้างเล็ก แต่มีจำนวนมาก ก๊าซหนาแน่นที่ล้อมรอบพวกมันนำไปสู่การเสียดสีแบบไดนามิกที่สำคัญและทำให้พวกมันอพยพไปยังใจกลางกาแลคซีอย่างรวดเร็ว นี่คือที่ที่พวกเขารวมกันเพื่อสร้างเมล็ดของหลุมดำมวลมหาศาล - ซึ่งเติบโตอย่างช้าๆเมื่อเวลาผ่านไป
ตามที่ทีมวิจัยได้อธิบายไว้ในการแถลงข่าว SISS ล่าสุด:
“ ตามทฤษฎีคลาสสิกหลุมดำมวลมหาศาลเติบโตขึ้นที่ใจกลางกาแลคซีที่จับสสารอยู่รอบตัวโดยเฉพาะอย่างยิ่งก๊าซ“ การเพิ่มขึ้น” ด้วยตัวมันเองและในที่สุดก็กลืนกินตามจังหวะซึ่งเป็นสัดส่วนกับมวลของมัน ด้วยเหตุนี้ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาเมื่อมวลของหลุมดำมีขนาดเล็กการเติบโตจึงช้ามาก เท่าที่การคำนวณเพื่อที่จะไปให้ถึงมวลที่สังเกตได้นั้นเป็นพันล้านเท่าของดวงอาทิตย์จะต้องใช้เวลานานมากยิ่งกว่าอายุของจักรวาลที่ยังอายุน้อย”
อย่างไรก็ตามแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ดั้งเดิมที่พวกเขาพัฒนาแสดงให้เห็นว่ากระบวนการก่อตัวของหลุมดำกลางอาจเร็วมากในระยะเริ่มต้น สิ่งนี้ไม่เพียง แต่ให้คำอธิบายเกี่ยวกับการมีอยู่ของเมล็ดพันธุ์ SMBH ในจักรวาลยุคแรก แต่ยังกระทบเวลาของการเติบโตด้วยอายุที่รู้จักของจักรวาล
ในระยะสั้นการศึกษาของพวกเขาแสดงให้เห็นว่ากระบวนการของการอพยพและการรวมตัวของหลุมดำในช่วงต้นสามารถนำไปสู่การสร้างเมล็ดพันธุ์ SMBH ที่มีมวล 10,000 ถึง 100,000 เท่าของมวลดวงอาทิตย์ในเวลาเพียง 50-100 ล้านปี ตามที่ทีมอธิบาย:
“ [T] การเจริญเติบโตของหลุมดำกลางตามการเพิ่มขึ้นของก๊าซโดยตรงที่กล่าวถึงโดยทฤษฎีมาตรฐานจะกลายเป็นเร็วมากเนื่องจากปริมาณของก๊าซที่มันจะประสบความสำเร็จในการดึงดูดและดูดซับจะยิ่งใหญ่และเด่นกว่า กระบวนการที่เราเสนอ อย่างไรก็ตามความจริงที่ว่าการเริ่มต้นจากเมล็ดพันธุ์ขนาดใหญ่ดังที่เห็นได้จากกลไกของเรานั้นช่วยเร่งการเติบโตของหลุมดำมวลมหาศาลและช่วยให้เกิดการก่อตัวขึ้นในโลกยุคใหม่ ในระยะสั้นตามทฤษฎีนี้เราสามารถระบุได้ว่า 800 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงหลุมดำมวลมหาศาลสามารถเติมคอสโมสได้แล้ว”
นอกเหนือจากการนำเสนอรูปแบบการทำงานสำหรับเมล็ดพันธุ์ SMBH ที่สังเกตแล้วทีมยังได้แนะนำวิธีการทดสอบ ในอีกด้านหนึ่งมีคลื่นความโน้มถ่วงที่การควบรวมเหล่านี้จะทำให้เกิดซึ่งสามารถระบุได้โดยใช้เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงเช่น Advanced LIGO / Virgo และโดดเด่นด้วยกล้องโทรทรรศน์ Einstein ในอนาคต
นอกจากนี้ขั้นตอนการพัฒนาที่ตามมาของ SMBHs เป็นสิ่งที่สามารถตรวจสอบได้โดยภารกิจต่างๆเช่นเสาอากาศ Laser Interferometer Space (LISA) ของ ESA ซึ่งคาดว่าจะเปิดตัวในราวปี 2034 ในหลอดเลือดดำที่คล้ายกันทีมนักดาราศาสตร์อีกกลุ่มหนึ่งเพิ่งใช้ Atacama อาเรมขนาดใหญ่มิลลิเมตร / ซับมิลมิเตอร์ (ALMA) เพื่อไขปริศนาลึกลับเกี่ยวกับกาแลคซีอีกแห่งหนึ่งซึ่งเป็นสาเหตุที่บางไอพ่นและไอพ่นอื่น ๆ ไม่มี
ลำธารที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วของสสารที่แตกตัวเป็นไอออนซึ่งเดินทางด้วยความสัมพันธ์เชิงความเร็ว (เศษเสี้ยวของความเร็วแสง) ได้รับการสังเกตพบว่าเกิดจากจุดศูนย์กลางของกาแลคซีบางแห่ง เครื่องบินไอพ่นเหล่านี้เชื่อมโยงกับอัตราการก่อตัวดาวฤกษ์ของกาแลคซีเนื่องจากวิธีการที่พวกมันขับไล่สสารที่จะยุบตัวกลายเป็นดาวดวงใหม่ กล่าวอีกนัยหนึ่งเจ็ตส์เหล่านี้มีบทบาทในการวิวัฒนาการของกาแลคซีเหมือนกับ SMBHs
ด้วยเหตุนี้นักดาราศาสตร์จึงพยายามเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการที่ไอพ่นของหลุมดำและเมฆก๊าซมีปฏิสัมพันธ์กันตลอดเวลา น่าเสียดายที่สังเกตการปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ในช่วงต้นจักรวาลได้ยาก ด้วยการใช้ Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) ทีมนักดาราศาสตร์จัดการเพื่อให้ได้ภาพที่ได้รับการแก้ไขครั้งแรกของเมฆก๊าซรบกวนที่มาจากควาซาร์ไกลโพ้น
การศึกษาที่อธิบายการค้นพบของพวกเขานำโดยศ. Kaiki ทาโรอิโนอุเอะของมหาวิทยาลัยคินเดียเพิ่งปรากฏใน จดหมายวารสารฟิสิกส์ ดังที่อิโนอุเอะและเพื่อนร่วมงานอธิบายไว้ข้อมูล ALMA เปิดเผยว่าเครื่องบินไอพ่นสองขั้วขนาดเล็กที่เปล่งออกมาจาก MG J0414 + 0534 ซึ่งเป็นควาซาร์ตั้งอยู่ห่างจากโลก 11,000 ล้านปีแสง การค้นพบเหล่านี้แสดงให้เห็นว่ากาแลคซีที่มี SMBH และเจ็ตส์มีอยู่เมื่อบิกแบงมีอายุน้อยกว่า 3 พันล้านปี
นอกเหนือจาก ALMA แล้วทีมยังใช้เทคนิคที่เรียกว่าเลนส์ความโน้มถ่วงซึ่งแรงโน้มถ่วงของกาแลคซีที่กำลังขยายจะขยายแสงที่มาจากวัตถุระยะไกล ขอบคุณ "กล้องโทรทรรศน์อวกาศจักรวาล" นี้และความละเอียดสูงของ ALMA ทีมสามารถสังเกตเมฆก๊าซรบกวนรอบ MG J0414 + 0534 และตรวจสอบว่าเกิดจากเครื่องบินไอพ่นเล็ก ๆ เปล่งออกมาจาก SMBH ที่ใจกลางกาแลคซี
ในฐานะที่เป็น Kouichiro Nakanishi ศาสตราจารย์โครงการที่หอดูดาวดาราศาสตร์แห่งชาติของญี่ปุ่น / SOKENDAI อธิบายในการแถลงข่าว ALMA:
“ เมื่อรวมกล้องโทรทรรศน์อวกาศนี้กับการสำรวจความละเอียดสูงของ ALMA เราได้รับการมองเห็นที่คมชัดเป็นพิเศษซึ่งดีกว่าสายตามนุษย์ถึง 9,000 เท่า ด้วยความละเอียดที่สูงมากนี้เราสามารถรับการกระจายและการเคลื่อนที่ของเมฆก๊าซรอบเจ็ตส์ที่พุ่งออกมาจากหลุมดำมวลมหาศาล
การสำรวจเหล่านี้ยังแสดงให้เห็นว่าก๊าซได้รับผลกระทบตามทิศทางของเครื่องบินไอพ่นทำให้อนุภาคเคลื่อนที่อย่างรุนแรงและเร่งความเร็วให้สูงถึง 600 กิโลเมตรต่อวินาที (370 mps) ยิ่งไปกว่านั้นเมฆก๊าซที่กระทบเหล่านี้และเครื่องบินไอพ่นนั้นมีขนาดเล็กกว่ากาแลคซีทั่วไปในยุคนี้มาก
จากนี้ทีมสรุปว่าพวกเขาได้เห็นวิวัฒนาการเจ็ทระยะแรกในกาแลคซี MG J0414 + 0534 หากเป็นจริงการสำรวจเหล่านี้อนุญาตให้ทีมเป็นสักขีพยานในกระบวนการวิวัฒนาการที่สำคัญในกาแลคซีในช่วงต้นจักรวาล ดังที่อิโนอุเอะสรุป:
“ MG J0414 + 0534 เป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมเพราะเยาวชนของเจ็ตส์ เราพบหลักฐานที่บอกเล่าถึงการมีปฏิสัมพันธ์ที่สำคัญระหว่างเจ็ตส์และเมฆก๊าซแม้ในช่วงแรก ๆ ของวิวัฒนาการเจ็ตส์ ฉันคิดว่าการค้นพบของเราจะปูทางไปสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับกระบวนการวิวัฒนาการของกาแลคซีในจักรวาลยุคแรก ๆ ”
จากการศึกษาเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ที่ทรงพลังที่สุดสองอย่างในเอกภพเกิดขึ้นเร็วกว่าที่คาดการณ์ไว้ การค้นพบนี้ยังเปิดโอกาสให้นักดาราศาสตร์ได้สำรวจว่าปรากฏการณ์เหล่านี้มีวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปและบทบาทที่พวกเขาเล่นในการวิวัฒนาการของจักรวาล
