Webb znalazł dwie olbrzymie czarne dziury tuż obok siebie 900 mln lat po Wielkim Wybuchu

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrył dwie supermasywne czarne dziury, które akreują materię obok siebie w czasie, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat. Tworzą one najstarszą zwartą parę kwazarów, jaką kiedykolwiek zidentyfikowano, a dzieląca je odległość jest mniejsza niż dystans między Słońcem a centrum Drogi Mlecznej.

Para ma znaczenie, ponieważ nikt nie spodziewał się uchwycić takiego układu tak wcześnie. Każda z dwóch czarnych dziur jest od setek milionów do miliardów razy masywniejsza od Słońca, a prawdopodobieństwo znalezienia dwóch obiektów leżących tak blisko siebie w tamtej epoce jest znacznie wyższe, niż przewidują obecne modele młodego Wszechświata.

Układ nosi oficjalną nazwę J1602+4228AB. Jego hawajską nazwę, Nāpōwawāʻenakaulua, stworzył Larry Kimura z Kolegium Języka Hawajskiego Uniwersytetu Hawaiʻi w ramach programu nadawania nazw A Hua He Inoa. W tłumaczeniu oznacza ona „Dwa niebiańskie ciała niezgłębionej potężnej ciemności w blasku gorąca, reinkarnujące energię we Wszechświat”. Badanie, którym kierowała Silvia Onorato z NSF NOIRLab, ukazało się w „The Astrophysical Journal Letters”.

Światło, które obserwujemy, opuściło tę parę około 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Większa czarna dziura ma masę około 1,5 miliarda mas Słońca, a mniejsza około 400 milionów. Dzieli je w przybliżeniu 18 100 lat świetlnych, czyli około jedna piąta średnicy Drogi Mlecznej.

Kwaziar to supermasywna czarna dziura pochłaniająca tak dużo gazu, że otaczająca ją materia świeci jaśniej niż wszystkie gwiazdy w jej galaktyce macierzystej. Oba składniki tej pary akreują materię z szybkością równą lub nieznacznie przekraczającą granicę Eddingtona, czyli tempo, przy którym promieniowanie wypychane na zewnątrz przez gorący gaz równoważy grawitację wciągającą gaz do środka. Obie czarne dziury rosną zatem mniej więcej tak szybko, jak zazwyczaj dopuszcza fizyka.

„Nie ma ostatecznego teoretycznego wyjaśnienia, w jaki sposób choć jeden z tych gigantycznych kwazarów może istnieć tak wcześnie w historii naszego Wszechświata, nie mówiąc już o dwóch” – powiedziała Onorato w komunikacie NOIRLab.

Jak Webb i Gemini odkryły drugi kwazar

Para została znaleziona w przeglądzie Aether, programie Webba prowadzonym przez Emanuele Paolo Farinę z NSF NOIRLab i Międzynarodowego Obserwatorium Gemini. W ramach przeglądu spektrograf bliskiej podczerwieni Webba kierowany jest na 200 kwazarów z pierwszego miliarda lat, co stanowi około 43 procent wszystkich znanych kwazarów z tego okresu. Zamiast pojedynczego widma instrument rejestruje osobne widmo dla każdego niewielkiego fragmentu nieba wokół każdego celu obserwacji.

Podczas wizualnej kontroli każdej kostki danych zespół zauważył, że znany kwazar J1602+4228 ma słabego towarzysza znajdującego się niemal dokładnie w tej samej odległości. Spośród 199 przeszukanych pól przeglądu jest to jedyny towarzyszący kwazar z szerokimi liniami emisyjnymi, będącymi sygnaturą szybko poruszającego się gazu w pobliżu czarnej dziury. Webb obserwował to pole przez około 45 minut.

Towarzysz jest około 19 razy słabszy od głównego kwazara, a na niebie oba obiekty dzieli niespełna jedna sekunda łuku – mniej więcej szerokość monety oglądanej z odległości czterech kilometrów. Aby potwierdzić, że jest to odrębny obiekt, zespół wykorzystał spektrograf bliskiej podczerwieni Gemini na teleskopie Gemini North na Maunakea na Hawaiʻi i ustawił szczelinę tak, by obejmowała oba kwazary jednocześnie. Słaby kwazar obserwowano przez ponad trzy godziny. „Niebo nad Maunakea było tak czyste i ostre, że zdołaliśmy zebrać dane w zaledwie dwie noce” – powiedziała Onorato. Trzeci instrument, Gemini Multi-Object Spectrograph, dostarczył światła optycznego od słabego towarzysza.

Przesunięcia ku czerwieni obu kwazarów, będące miarą tego, jak bardzo ekspansja Wszechświata rozciągnęła ich światło, różnią się zaledwie o około 15 kilometrów na sekundę, co oznacza, że znajdują się zasadniczo w tej samej odległości od Ziemi.

Jak blisko siebie mogą być tak stare czarne dziury

To dopiero trzecia para kwazarów znaleziona o kosmicznym świcie, w epoce pierwszych galaktyk, i zarazem najbardziej zwarta. Poprzednia najbardziej zwarta wczesna para, J2037-4537, jest rozdzielona o około 24 000 lat świetlnych i została zaobserwowana mniej więcej 100 milionów lat później w historii kosmosu. Inny kandydat z podobnej epoki, J1215-0148, ma rozpiętość około 39 000 lat świetlnych, a astronomowie wciąż dyskutują, czy jest to rzeczywista para.

Dla porównania Słońce znajduje się około 26 000 lat świetlnych od Sagittarius A*, czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Sagittarius A* ma masę około czterech milionów Słońc. Większa czarna dziura w tej parze jest około 380 razy masywniejsza i osiągnęła tę masę, gdy Wszechświat miał około 6,5 procenta swojego obecnego wieku.

Zespół zbadał również, jak często powinna pojawiać się taka para. Pomiary tego, jak kwazary grupują się w dużych skalach, ekstrapolowane do skali tej pary, przewidują znacznie mniej takich sąsiadów niż jeden na 199 pól. Zaobserwowana para znajduje się od 100 do 1000 razy powyżej tych ekstrapolacji, nawet gdy zespół zastosował niższy próg jasności.

Czego ta para jeszcze nie rozstrzyga

Pierwszym otwartym pytaniem jest to, czy rzeczywiście mamy do czynienia z dwoma kwazarami. Galaktyka znajdująca się między nami a pojedynczym odległym kwazarem może zakrzywiać jego światło i tworzyć dwa obrazy tego samego obiektu – jest to efekt nazywany soczewkowaniem grawitacyjnym. Widma przemawiają przeciw takiemu wyjaśnieniu. Oba kwazary różnią się nachyleniem widma światła oraz stopniem, w jakim tłumi je pył, a szybko poruszające się wypływy gazu widoczne w ich liniach emisyjnych tlenu mają odmienne kształty, których soczewkowanie nie może zmienić. Zespół wstępnie skłania się więc ku rzeczywistej parze. Archiwalne zdjęcia z Hubble’a pokazują jednak możliwą galaktykę pierwszego planu w pobliżu słabszego kwazara. Autorzy piszą, że same widma nie mogą wykluczyć soczewkowania, a pełny model soczewki jest nadal przygotowywany.

Drugie ograniczenie dotyczy samych mas. Masy czarnych dziur wyprowadzane z pojedynczego widma obarczone są systematyczną niepewnością rzędu współczynnika dwóch, dlatego wartości 1,5 miliarda i 400 milionów są oszacowaniami, a nie precyzyjnymi pomiarami.

Trzecie ograniczenie dotyczy nadwyżki. Prognozy dotyczące grupowania zmierzono w znacznie większych skalach i trzeba je ekstrapolować znacznie poniżej przetestowanego zakresu, gdzie, jak twierdzą autorzy, teoria jest niezwykle niepewna. Jedna para nie może wykazać, czy takie układy są powszechne, czy też ten jest rzadkim zbiegiem okoliczności.

Indywidualnie czarne dziury nie łamią żadnej reguły: ich masy i tempo akrecji odpowiadają samotnym kwazarom z tej samej epoki. Niewyjaśnione pozostaje, jak którakolwiek czarna dziura tak szybko urosła do miliarda mas Słońca i dlaczego dwie z nich zrobiły to tak blisko siebie.

Dlaczego połączenie galaktyk może wyjaśniać tę parę

Zespół proponuje, że Nāpōwawāʻenakaulua wyznacza ekstremalne maksimum gęstości materii we wczesnym Wszechświecie, miejsce, w którym zderzające się galaktyki skierowały duże ilości gazu ku swoim centrom. Gaz ten napędzałby jednocześnie powstawanie gwiazd i obie czarne dziury, co wyjaśniałoby, dlaczego dwa kwazary uaktywniły się razem.

Jeśli obie galaktyki macierzyste się łączą, czarne dziury powinny ostatecznie opaść ku środkowi połączonej galaktyki, utworzyć związany układ i w odległej przyszłości połączyć się. Takie pary są wczesnym etapem procesu, który, jak się uważa, wytwarza słabe tło fal grawitacyjnych zgłoszone przez współpracę NANOGrav.

Pytania, które czytelnicy zadają o parę kwazarów

Czym jest para kwazarów?

Para kwazarów to dwie aktywnie akreujące supermasywne czarne dziury znajdujące się blisko siebie w przestrzeni, zwykle dlatego, że ich galaktyki macierzyste oddziałują ze sobą lub się łączą. W pierwszym miliardzie lat po Wielkim Wybuchu znaleziono ich bardzo niewiele.

Jak daleko znajduje się Nāpōwawāʻenakaulua?

Jej światło opuściło tę parę około 900 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co odpowiada przesunięciu ku czerwieni wynoszącemu około 6,08. Światło podróżowało niemal 13 miliardów lat, aby dotrzeć do Webba.

Jak astronomowie ważą czarną dziurę znajdującą się tak daleko?

Mierzą szerokość wodorowych linii emisyjnych gazu orbitującego wokół czarnej dziury. Szybsze orbity oznaczają szersze linie, a w połączeniu z jasnością kwazara ich szerokość pozwala oszacować masę. Te oszacowania oparte na pojedynczym widmie są niepewne o około współczynnik dwóch.

Czy drugi kwazar może być złudzeniem wywołanym soczewkowaniem grawitacyjnym?

Jest to możliwe, ale uznawane za mniej prawdopodobne. Oba widma różnią się w sposób, którego soczewkowanie nie powinno powodować, szczególnie pod względem kształtu ich wypływów gazu, lecz na zdjęciach Hubble’a dostrzeżono kandydata na galaktykę pierwszego planu. Szczegółowy model soczewki sprawdzi tę hipotezę.

Co dalej

Webb zarejestrował dane odkrywcze 2 kwietnia 2025 roku, dalsze obserwacje Gemini trwały do tego roku, a artykuł opublikowano 10 listopada 2026 roku. Zespół Onorato przygotowuje obecnie dynamiczne badanie gazu przemieszczającego się między dwoma kwazarami oraz model soczewki oparty na archiwalnych zdjęciach Hubble’a. Osobny artykuł, którym kieruje Roberto Decarli z włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki, przedstawi galaktyki towarzyszące odkryte w całym przeglądzie Aether – pierwszy krok ku próbie statystycznej, która może pokazać, czy pary takie jak ta są powszechne, czy rzadkie.

Źródło: Onorato et al., „Nāpōwawā‘enakaulua: A Close Quasar Pair at Cosmic Dawn in the Aether Survey,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aeb11f

Tagi: astronomia, James Webb Space Telescope, JWST, czarne dziury, Gemini North, kwazary