Już starożytni filozofowie głowili się nad pytaniem: co było pierwsze, jajko czy kura? Astronomowie od jakiegoś czasu poszukują rozwiązania podobnej zagadki.
Zastąpmy tylko kurę galaktyką, a jajko supermasywną czarną dziurą. Pytanie brzmi: czy jako pierwsza powstaje galaktyka gwiazd, a dopiero potem jedna z tych gwiazd wybucha jako supernowa, pozostawiając po sobie czarną dziurę w centrum? Czy może to galaktyki gwiazd powstają „wokół” istniejącej już wcześniej supermasywnej czarnej dziury? O problemie jajka i kury można przeczytać również w \(\Delta_{24}^{4}\) Zacznijmy od tego, co wiemy. We współczesnym Wszechświecie prawie każda duża galaktyka, w tym nasza Droga Mleczna, ma w swoim centrum supermasywną czarną dziurę o masie od setek tysięcy do kilku miliardów razy większej od masy Słońca. Wiemy też, że masy tych czarnych dziur są związane z masą galaktyki, w której się znajdują. Im większa i masywniejsza jest galaktyka, tym masywniejsza jest supermasywna czarna dziura w jej centrum. Naukowcy interpretują to jako dowód na to, że obecnie oba te obiekty ewoluują razem. Ale czy tak było zawsze? Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej ma masę 4 miliony razy większą od Słońca – jest więc stosunkowo niewielka w porównaniu z supermasywnymi czarnymi dziurami występującymi w niektórych innych galaktykach. Na przykład czarna dziura w centrum galaktyki Holmberg 15A ma masę co najmniej 40 miliardów mas Słońca. Aby to sprawdzić, musimy zajrzeć w przeszłość Wszechświata do momentu, gdy tworzyły się pierwsze galaktyki. Na szczęście możemy to robić za pomocą teleskopów, ponieważ światło podróżuje przez rozszerzający się Wszechświat ze skończoną prędkością. Gdy więc obserwujemy odległe galaktyki, to widzimy je takimi, jakie były miliardy lat temu. Absolutnym rekordzistą w obserwacjach odległych galaktyk jest oczywiście Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, którego obserwacje i tym razem wykorzystano. Grupa badawcza pod kierunkiem Sophii Geris z Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, opublikowała w listopadzie 2025 roku wyniki obserwacji, które wykazują, że nawet najmniejsze czarne dziury, jakie jesteśmy w stanie obserwować, znajdujące się w centrach najodleglejszych galaktyk są wciąż… zbyt masywne w stosunku do masy galaktyk, w których się znajdują (patrz wykres). Wyjaśnień tego stanu rzeczy może być oczywiście kilka. Pierwsze wytłumaczenie związane jest z niepewnościami pomiarowymi. Możliwe jest, że obserwujemy tylko szczególnie jasne obiekty (bo tylko ich światło jesteśmy w stanie zarejestrować). Drugie wytłumaczenie jest zdecydowanie bardziej ekscytujące – czarne dziury we wczesnym Wszechświecie mają tak duże masy w stosunku do mas ich galaktyk, ponieważ powstały jako pierwsze! Czyżbyśmy zatem znaleźli odpowiedź? Otóż nie do końca, pojawia się kolejne pytanie: jak te ogromne, supermasywne czarne dziury powstały w tak krótkim czasie? Jak dotąd jedynym potwierdzonym obserwacyjnie
procesem, podczas którego
powstają czarne dziury, jest wybuch supernowej. Kiedy gwiazda o masie ponad 20 razy większej od Słońca wyczerpie swoje paliwo, jej jądro zapada się, tworząc czarną dziurę. Tak powstałe czarne dziury są jednak malutkie w porównaniu do supermasywnych czarnych dziur (te pierwsze mają masy kilku mas Słońca, a te drugie nawet miliardy mas Słońca). Wiemy, że czarne dziury mogą „rosnąć” i przybierać na masie, pochłaniając otaczającą je materię lub łącząc się z innymi pobliskimi czarnymi dziurami. Jednak proces wzrostu trwa miliardy lat i maksymalne tempo, w jakim czarna dziura może przybierać na wadze, jest fizycznie ograniczone. Nie mamy więc na razie wytłumaczenia na istnienie supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Jest oczywiście kilka hipotez. Jedna z nich zakłada, że czarne dziury we wczesnym Wszechświecie mogły powstać bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się masywnych chmur gazu, bez udziału gwiazd. W tym momencie trwają poszukiwania dowodów obserwacyjnych. Co więc było pierwsze? Galaktyka czy supermasywna czarna dziura? Prawdopodobnie czarna dziura. Ale nie wiemy na pewno. Dam znać, gdy coś się zmieni. Napisane na podstawie publikacji: Sophia Geris et al. (2025) “JADES reveals a large population of low mass black holes at high redshift”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, https://doi.org/10.1093/mnras/staf1979. Zakład Astrofizyki, Departament Badań Podstawowych,
Narodowe Centrum Badań Jądrowych
Wykres zależności masy supermasywnej czarnej dziury od masy galaktyki. Różne symbole przedstawiają pomiary w różnych momentach istnienia Wszechświata. W szczególności trójkąty przedstawiają pomiary we współczesnym Wszechświecie, a kwadraty w odległym (czyli młodym) Wszechświecie. Punkty zaznaczone elipsą pokazują najnowsze pomiary mas czarnych dziur odległego Wszechświata. Są one zdecydowanie większe niż przewidywania modelu zaznaczone żółtą linią. Źródło: Sophia Geris et al. (2025)