Dalam beberapa dekad yang lalu, para astronom telah dapat melihat lebih jauh ke Alam Semesta (dan juga masa lalu), hampir ke permulaan Alam Semesta. Dengan berbuat demikian, mereka telah mempelajari banyak perkara mengenai beberapa galaksi terawal di Alam Semesta dan evolusi mereka yang seterusnya. Walau bagaimanapun, masih ada beberapa perkara yang masih dilarang, seperti ketika galaksi dengan lubang hitam supermasif (SMBH) dan jet besar pertama kali muncul.
Menurut kajian terbaru dari International School for Advanced Studies (SISSA) dan sekumpulan ahli astronomi dari Jepun dan Taiwan memberikan pandangan baru mengenai bagaimana lubang hitam supermasif mula terbentuk hanya 800 juta tahun selepas Big Bang, dan jet relativistik kurang dari 2 bilion tahun selepas. Hasil ini adalah sebahagian daripada kes yang semakin meningkat yang menunjukkan betapa besarnya objek di Alam Semesta kita terbentuk lebih cepat daripada yang kita sangka.
Ahli astronomi telah mengetahui mengenai SMBH selama lebih dari setengah abad. Pada waktunya, mereka menyedari bahawa kebanyakan galaksi besar (termasuk Bima Sakti) memilikinya di teras mereka. Peranan yang mereka mainkan dalam evolusi galaksi juga menjadi subjek kajian, dengan para astronom moden menyimpulkan bahawa mereka secara langsung berkaitan dengan kadar pembentukan bintang di galaksi.
Begitu juga, ahli astronomi mendapati bahawa SMBH mempunyai cakera penambahan yang ketat di sekitarnya di mana gas dan debu dipercepat untuk mendekati kelajuan cahaya. Ini menyebabkan pusat beberapa galaksi menjadi sangat terang - apa yang dikenali sebagai nukleus galaksi aktif (AGN) - sehingga mereka mengalahkan bintang-bintang di cakera mereka. Dalam beberapa kes, cakera penambahan ini juga membawa kepada jet bahan panas yang dapat dilihat dari jarak berbilion tahun cahaya.
Menurut model konvensional, galaksi tidak mempunyai cukup waktu untuk mengembangkan lubang hitam pusat ketika Alam Semesta berusia kurang dari satu bilion tahun (kira-kira 13 bilion tahun yang lalu). Namun, pemerhatian baru-baru ini menunjukkan bahawa lubang hitam sudah terbentuk di pusat galaksi pada masa itu. Mengatasi hal ini, sekumpulan saintis dari SISSA mencadangkan model baru yang menawarkan penjelasan yang mungkin.
Untuk kajian mereka, yang dipimpin oleh Lumen Boco - Ph.D. pelajar dari Institut Fizik Fundamental Alam Semesta (IFPU) - pasukan bermula dengan fakta yang terkenal bahawa SMBH tumbuh di kawasan tengah galaksi awal. Objek-objek ini, nenek moyang galaksi elips hari ini, mempunyai kepekatan gas yang sangat tinggi dan kadar pembentukan bintang baru yang sangat kuat.
Generasi pertama bintang di galaksi ini berumur pendek dan cepat berkembang menjadi lubang hitam yang agak kecil, tetapi jumlahnya signifikan. Gas padat yang mengelilingi mereka menyebabkan geseran dinamik yang ketara dan menyebabkan mereka berpindah dengan cepat ke pusat galaksi. Di sinilah mereka bergabung untuk mencipta biji lubang hitam supermasif - yang perlahan-lahan tumbuh dari masa ke masa.
Seperti yang dijelaskan oleh pasukan penyelidik dalam siaran akhbar SISS baru-baru ini:
"Menurut teori klasik, lubang hitam supermasif tumbuh di tengah galaksi yang menangkap bahan di sekitarnya, terutama gas," menumbuhkannya "pada dirinya sendiri dan akhirnya memakannya dengan irama yang sebanding dengan jisimnya. Atas sebab ini, semasa fasa awal pengembangannya, ketika jisim lubang hitam kecil, pertumbuhannya sangat perlahan. Sejauh mana, menurut perhitungan, untuk mencapai jisim yang diperhatikan, berbilion kali dari Matahari, diperlukan waktu yang sangat lama, bahkan lebih besar daripada usia Alam Semesta muda. "
Walau bagaimanapun, model matematik asli yang mereka kembangkan menunjukkan bahawa proses pembentukan lubang hitam pusat dapat sangat cepat pada fasa awalnya. Ini tidak hanya memberikan penjelasan tentang keberadaan biji SMBH di Alam Semesta awal tetapi juga mendamaikan waktu pertumbuhan mereka dengan usia semesta yang diketahui.
Ringkasnya, kajian mereka menunjukkan bahawa proses penghijrahan dan penggabungan lubang hitam awal dapat menyebabkan penciptaan benih SMBH yang berjumlah 10,000 hingga 100,000 massa suria hanya dalam 50-100 juta tahun. Seperti yang dijelaskan oleh pasukan:
"[T] pertumbuhan lubang hitam pusat sesuai dengan kenaikan gas langsung yang disebutkan di atas, yang dibayangkan oleh teori standard, akan menjadi sangat cepat, kerana kuantiti gas yang akan berjaya menarik dan menyerap akan menjadi sangat besar, dan dominan pada proses yang kami cadangkan. Walaupun demikian, tepatnya fakta mulai dari benih besar seperti yang dibayangkan oleh mekanisme kita mempercepat pertumbuhan global lubang hitam supermasif dan memungkinkan pembentukannya, juga di Alam Semesta Muda. Singkatnya, berdasarkan teori ini, kita dapat menyatakan bahawa 800 juta tahun setelah Big Bang lubang hitam supermasif sudah dapat mengisi Cosmos. "
Selain mencadangkan model kerja untuk biji SMBH yang diperhatikan, tim juga mencadangkan kaedah untuk mengujinya. Di satu pihak, ada gelombang graviti yang menyebabkan penggabungan ini, yang dapat dikenal pasti menggunakan pengesan gelombang graviti seperti Advanced LIGO / Virgo dan dicirikan oleh Teleskop Einstein masa depan.
Di samping itu, fasa pembangunan SMBH seterusnya adalah sesuatu yang dapat disiasat oleh misi seperti Antena Laser Interferometer Angkasa (LISA) ESA, yang dijangka dilancarkan sekitar 2034. Dalam keadaan serupa, pasukan astronomi lain baru-baru ini menggunakan Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) untuk mengatasi misteri lain mengenai galaksi, sebab itulah ada yang mempunyai jet dan yang lain tidak.
Aliran zat pengionan yang bergerak pantas ini, yang bergerak pada kecepatan relativistik (sebahagian kecil dari kelajuan cahaya), telah diperhatikan berasal dari pusat beberapa galaksi. Jet ini telah dihubungkan dengan kadar pembentukan bintang galaksi kerana cara mereka mengeluarkan bahan yang sebaliknya akan runtuh untuk membentuk bintang baru. Dengan kata lain, jet ini berperanan dalam evolusi galaksi, seperti SMBH.
Atas sebab ini, ahli astronomi berusaha untuk mengetahui lebih lanjut mengenai bagaimana jet lubang hitam dan awan gas berinteraksi dari masa ke masa. Malangnya, sukar untuk memerhatikan jenis interaksi ini semasa awal Alam Semesta. Dengan menggunakan Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), sepasukan ahli astronomi berjaya memperoleh gambar pertama dari awan gas yang terganggu yang berasal dari quasar yang sangat jauh.
Kajian yang menjelaskan penemuan mereka, yang diketuai oleh Prof Kaiki Taro Inoue dari Universiti Kindai, baru-baru ini muncul di Surat Jurnal Astrofizik. Seperti yang dijelaskan Inoue dan rakannya, data ALMA mendedahkan jet bipolar muda yang berasal dari MG J0414 + 0534, sebuah quasar yang terletak kira-kira 11 bilion tahun cahaya dari Bumi. Penemuan ini menunjukkan bahawa galaksi dengan SMBH dan jet wujud ketika Big Bang berusia kurang dari 3 bilion tahun.
Sebagai tambahan kepada ALMA, tim ini bergantung pada teknik yang dikenal sebagai lensa gravitasi, di mana graviti galaksi campur tangan memperbesar cahaya yang datang dari objek yang jauh. Berkat "teleskop kosmik" dan resolusi tinggi ALMA ini, pasukan dapat melihat awan gas yang terganggu di sekitar MG J0414 + 0534 dan menentukan bahawa ia disebabkan oleh jet muda yang berasal dari sebuah SMBH di pusat galaksi.
Seperti yang dijelaskan oleh Kouichiro Nakanishi, seorang profesor projek di Balai Cerap Astronomi Nasional Jepun / SOKENDAI dalam siaran akhbar ALMA:
"Menggabungkan teleskop kosmik ini dan pemerhatian resolusi tinggi ALMA, kami memperoleh penglihatan yang sangat tajam, iaitu 9.000 kali lebih baik daripada penglihatan manusia. Dengan resolusi yang sangat tinggi ini, kami dapat memperoleh taburan dan pergerakan awan gas di sekitar jet yang dikeluarkan dari lubang hitam supermasif. "
Pemerhatian ini juga menunjukkan bahawa gas itu terpengaruh di mana ia mengikuti arah jet, menyebabkan zarah-zarah bergerak dengan ganas dan dipercepat dengan kecepatan hingga 600 km / s (370 mps). Terlebih lagi, awan gas yang terkena dampak dan jet itu sendiri jauh lebih kecil daripada ukuran galaksi biasa pada usia ini.
Dari ini, pasukan membuat kesimpulan bahawa mereka menyaksikan fasa evolusi jet yang sangat awal di galaksi MG J0414 + 0534. Sekiranya benar, pemerhatian ini membolehkan pasukan menyaksikan proses evolusi utama dalam galaksi semasa Alam Semesta awal. Seperti yang diringkaskan oleh Inoue:
"MG J0414 + 0534 adalah contoh yang sangat baik kerana masa muda jet. Kami menjumpai bukti interaksi yang signifikan antara jet dan awan gas walaupun pada fasa evolusi jet yang sangat awal. Saya fikir bahawa penemuan kami akan membuka jalan untuk pemahaman yang lebih baik mengenai proses evolusi galaksi di Alam Semesta awal. "
Bersama-sama, kajian ini menunjukkan bahawa dua fenomena astronomi paling kuat di Alam Semesta muncul lebih awal daripada yang dijangkakan. Penemuan ini juga memberi peluang kepada para astronom untuk meneroka bagaimana fenomena ini berkembang dari masa ke masa, dan peranan yang mereka mainkan dalam evolusi Alam Semesta.
