ULAS J1120+0641 – kwazar

ULAS J1120+0641 to obiekt, który otworzył przed astronomami okno na jedno z najwcześniejszych stadiów rozwoju Wszechświata. Jako jeden z najodleglejszych znanych kwazarów, ten niezwykły punkt na niebie pozwala badać procesy formowania się pierwszych supermasywnych czarnych dziur, tempo metalizacji i obecny stan materii międzygalaktycznej w epoce tuż po Wielkim Wybuchu. W poniższym artykule przedstawiam najważniejsze informacje o tym obiekcie, wyniki badań wielofalowych oraz konsekwencje, jakie jego istnienie ma dla kosmologii i astrofizyki galaktyk.

Odkrycie i podstawowe właściwości

ULAS J1120+0641 został zidentyfikowany dzięki przeglądom prowadzonym w zakresie bliskiej podczerwieni. Nazwa obiektu wskazuje na katalog ULAS (UKIRT Infrared Deep Sky Survey) — projekt, który ujawnił wiele słabych, lecz bardzo odległych źródeł dzięki czułości w pasmach podczerwonych. Charakterystyczną cechą tego kwazara jest jego ekstremalny redshift — oznaczony jako z=7.085, co oznacza, że światło od tego obiektu podróżowało do nas przez około 12,9 miliarda lat. W praktyce obserwujemy ULAS J1120+0641 takim, jakim był mniej więcej 770 milionów lat po Wielkim Wybuchu, w czasie gdy Wszechświat był jeszcze bardzo młody.

Podstawowe właściwości obiektu są równie imponujące jak jego wiek. ULAS J1120+0641 jest kwazarem — czyli jądrem aktywnej galaktyki zasilanym przez akrecję materii na supermasywną czarną dziurę. Masa tej czarnej dziury szacowana jest na rzędy miliardów mas Słońca (szacunki sugerują wartości porównywalne z 10^9 mas Słońca), a jasność bolometryczna plasuje ten obiekt wśród najjaśniejszych znanych źródeł wczesnego Wszechświata, o wydatnym wpływie na otoczenie galaktyczne i międzygalaktyczne.

Odkrycie ULAS J1120+0641 zostało potwierdzone dzięki spektroskopii, która ujawniła przesunięcie linii emisyjnych daleko w czerwieni. To właśnie analiza widma pozwoliła na wykrycie charakterystycznych cech Lyman-α oraz silnych absorberów, świadczących o stanie gazu międzygalaktycznego w tamtej epoce. Obiekt ten był przez kilka lat rekordzistą pod względem najdalszego znanego kwazara, co samo w sobie uczyniło go celem intensywnych badań.

Co mówi ULAS J1120+0641 o epoce rejonizacji?

Jednym z kluczowych pytań współczesnej kosmologii jest to, kiedy i jak doszło do era rejonizacji — procesu, w którym gaz międzygalaktyczny przeszedł od stanu neutralnego (atomowego wodoru) do zjonizowanego wskutek promieniowania pochodzącego od pierwszych gwiazd, galaktyk i aktywnych jąder galaktyk. Kwazary takie jak ULAS J1120+0641 dostarczają unikalnych sond tej epoki, ponieważ ich jasne widmo jest częściowo tłumione przez absorpcję w linii Lyman-α przez neutralny wodór na linii wzroku.

W widmie ULAS J1120+0641 zaobserwowano głęboką absorpcję po niebieskiej stronie linii Lyman-α, czyli klasyczny efekt Gunn-Peterson trough, świadczący o znacznej zawartości neutralnego wodoru. Dodatkowo analiza profilu linii sugerowała obecność tzw. damping wing — szerokiego skrzydła absorpcji, które nie zawsze można tłumaczyć jedynie gęstymi chmurami materii w bezpośrednim otoczeniu kwazara. Interpretacja damping wing jako śladu rozległego, częściowo neutralnego międzygalaktycznego medium wskazywała, że w epoce z=7.085 rejonizacja nie była jeszcze całkowicie zakończona.

Badania tego typu pozwalają oszacować frakcję neutralnego wodoru w tamtych czasach. Choć dokładne liczby zależą od modelu i przyjętych założeń, wyniki analiz ULAS J1120+0641 sugerowały znaczący udział wodoru neutralnego — rzędu kilkunastu procent lub więcej — co stawiało silne ograniczenia na tempo i intensywność procesu rejonizacji. Innymi słowy, ULAS J1120+0641 wskazywał, że koniec epoki rejonizacji nastąpił dopiero później (niż w niektórych wcześniejszych modelach), co ma konsekwencje dla scenariuszy formowania się pierwszych struktur i emisji promieniowania ultrafioletowego.

Formowanie się supermasywnych czarnych dziur — problem czasu

Jednym z najbardziej intrygujących aspektów ULAS J1120+0641 jest fakt, że już mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu istniała czarna dziura o masie rzędu miliardów mas Słońca. To stawia poważne wyzwania teoretyczne: jak w tak krótkim czasie mogły urosnąć nasiona czarnych dziur do takich rozmiarów?

• Model wzrostu przez akrecję przy ograniczeniu Eddingtona: oznacza systematyczną i długotrwałą akrecję z bardzo wysoką frakcją prędkości Eddingtonowskiej — w praktyce wymaga to niemal ciągłego zasilania gazem o wysokim tempie. To scenariusz możliwy, ale wymaga sprzyjających warunków i gęstego otoczenia.
• Super-Eddingtonowe akrecje: okresy akrecji przekraczające limit Eddingtona mogłyby przyspieszyć wzrost, ale mechanizmy i stabilność takich etapów są przedmiotem badań.
• Bezpośredni kolaps gazu (direct collapse): hipoteza powstania znacznie większych nasion (10^4–10^6 M☉) poprzez bezpośredni kolaps masywnej chmury gazu, omijając etap powstawania normalnych gwiazd. To rozwiązuje problem „braku czasu”, lecz wymaga specyficznych warunków (np. brak chłodzenia przez molekularny wodór) w obszarze powstawania takiego nasienia.
• Suma mniejszych nasion i zlewanie się: scenariusz, w którym wiele mniejszych czarnych dziur (pozostałości po pierwszych gwiazdach — populacja III) łączy się w wyniku migracji i zderzeń w gęstych środowiskach, tworząc masywną czarną dziurę.

ULAS J1120+0641 stanowi swego rodzaju test tych modeli. Obecność tak masywnej czarnej dziury na wczesnym etapie kosmicznej historii prowokuje do modyfikacji standardowych scenariuszy wzrostu i stała się bodźcem do intensywnych symulacji numerycznych oraz badań teoretycznych, które mają wyjaśnić, jakie warunki początkowe i procesy fizyczne musiały dominować we wczesnym Wszechświecie.

Wielofalowe obserwacje i informacje o gospodarzu

Choć kwazar sam w sobie dominuje emisję z centrum, obserwacje w zakresach submilimetrowych i radiowych pozwoliły zajrzeć poza jądro i zbadać właściwości jego galaktyki-gospodarza. Detekcje linii [C II] (158 μm w spoczynkowej długości fali) oraz emisji continuum pyłowego zrealizowane przy pomocy teleskopu ALMA wskazały na obecność metali i pyłu w gaszącym się już bardzo młodym Wszechświecie.

Wnioskowanie z tych danych sugeruje, że w gospodarzu ULAS J1120+0641 istniały już wcześniejsze generacje gwiazd, które wzbogaciły gaz w cięższe pierwiastki. Oznacza to, że procesy formowania gwiazd i metalizacji przebiegały szybko: powstawanie pyłu i metali wymagało co najmniej kilku pokoleń gwiazd masywnych, a zatem intensywnej formacji gwiazd na krótko przed momentem, który obserwujemy.

Szacunki dotyczące tempa formowania gwiazd w gospodarzu opierają się na jasności continuum pyłowego i intensywności [C II] — typowe wartości dla zbliżonych obiektów wskazują na SFR rzędu kilkudziesięciu do kilkuset mas Słońca rocznie. Tak intensywne formowanie gwiazd w połączeniu z aktywnym jądrem tworzy środowisko, w którym dynamika gazu, oddziaływania promieniowania i przemieszczanie materii wpływają na dalszy wzrost czarnej dziury oraz ewolucję całej galaktyki.

Warto również podkreślić, że ULAS J1120+0641 nie wykazuje cech silnej aktywności radiowej (jest klasyfikowany jako obiekt radio-quiet), co sugeruje, że dominujący mechanizm wypromieniowania energii jest związany z akrecyjnym dyskiem i promieniowaniem elektromagnetycznym, a nie z potężnymi dżetami radiowymi. To wpływa też na sposób, w jaki kwazar oddziałuje z otoczeniem i jak trudno jest wykryć jego gospodarza w niektórych zakresach fal.

Mierzalne efekty w widmach — Lyman-α, near zone i damping wing

Spektroskopia ULAS J1120+0641 ujawniła kilka kluczowych cech, które pomagają odtworzyć warunki w otaczającym go kosmosie. Jedną z takich charakterystyk jest rozmiar tzw. near zone — regionu wokół kwazara, w którym promieniowanie ultrafioletowe z jądra zjonizowało pobliski gaz. Near zone tego obiektu jest stosunkowo niewielki w porównaniu z analogicznymi obiektami o niższym redshifcie, co interpretowane jest jako efekt wysokiej zawartości neutralnego wodoru w dalszym otoczeniu.

Damping wing, będący rozszerzonym skrzydłem absorpcyjnym rozciągającym się po czerwonej stronie linii Lyman-α, jest kolejnym sygnałem sugerującym znaczną frakcję neutralnego wodoru. W praktyce rozróżnienie między damping wing generowanym przez neutralny międzygalaktyczny gaz a absorpcją pochodzącą od gęstych obłoków w bezpośrednim otoczeniu wymaga starannych modeli i obserwacji uzupełniających, lecz w przypadku ULAS J1120+0641 interpretacja jako dowodu na niedostateczną rejonizację w epoce z~7 jest silnie rozważana przez badaczy.

Znaczenie dla badań astronomicznych i przyszłe kierunki

ULAS J1120+0641 stał się kamieniem milowym w badaniach wczesnego Wszechświata. Jego istnienie wpłynęło na wiele dziedzin badań: od modelowania wzrostu czarnych dziur, przez badania procesu rejonizacji, po badania wczesnej metalizacji i formowania galaktyk. W najbliższych latach dalsze obserwacje tego typu obiektów będą miały kluczowe znaczenie, a następujące działania są szczególnie obiecujące:

• Obserwacje w podczerwieni o dużej rozdzielczości (np. z wykorzystaniem teleskopu JWST i przyszłych dużych teleskopów naziemnych typu ELT) — pozwolą na lepsze zbadanie składników chemicznych, dynamiki gazu i struktury gospodarza.
• Dalsze pomiary w zakresie submilimetrowym (ALMA) — poprawią nasze rozumienie zawartości pyłu, emisji [C II] i dynamiki rotacyjnej gazu w galaktyce-gospodarzu.
• Obserwacje w domenie fal radiowych i X — pomogą określić, czy występują słabe dżety lub inne formy aktywności, oraz badać akrecję w silnie energetycznych pasmach.
• Rozszerzenie poszukiwań na jeszcze wyższe redshifty — większe przeglądy i głębsze obserwacje mogą odnaleźć kwazary jeszcze bliższe momentowi rejonizacji i dostarczyć statystycznie istotnych próbek do testowania modeli kosmologicznych.

Podsumowanie

ULAS J1120+0641 to więcej niż tylko rekordzista odległości — to laboratorium kosmologiczne, które oferuje bezpośredni wgląd w procesy zachodzące w młodym Wszechświecie. Poprzez analizę jego widma i otoczenia dowiadujemy się o stanie gazu międzygalaktycznego w epoce rejonizacji, o szybkim wzroście supermasywnych czarnych dziur oraz o intensywnej aktywności formowania gwiazd w galaktykach-gospodarzach. Badanie tego obiektu i innych podobnych jest kluczowe dla zrozumienia, jak szybko i w jakich warunkach mogły powstać największe struktury we Wszechświecie.

Przyszłe instrumenty i misje obserwacyjne pozwolą przybliżyć odpowiedzi na pytania, które ULAS J1120+0641 postawił przed astronomami. W kolejnym kroku nauka z pewnością skupi się na poszukiwaniu większej liczby takich obiektów, precyzyjniejszym pomiarze ich otoczenia oraz testowaniu modeli formowania najwcześniejszych czarnych dziur i galaktyk.