Euclid a descoperit mai mulți cuasari antici într-un an decât știința în zece ani

În ultimul deceniu, confirmarea unui singur quasar alimentat de o gaură neagră care cântărea deja un miliard de mase solare când universul avea mai puțin de un miliard de ani necesita un efort coordonat între mai multe telescoape și luni întregi de spectroscopie de urmărire. Rezultatul cumulat al acestor eforturi se ridica la aproximativ zece obiecte confirmate. În primul său an de operațiuni științifice, Euclid a confirmat douăsprezece.

Cifra reprezintă rezultatul central al unui articol semnat de doctorandul de la Universitatea Leiden, Daming Yang, și colegii săi, publicat în Astronomy & Astrophysics ca parte a unui număr special de 41 de articole bazate pe primul sfert din datele cerului ale lui Euclid. Catalogul complet conține 31 de quasari anterior necunoscuți din cea mai timpurie epocă a universului — surse de lumină străvechi, fiecare arzând cu puterea a aproximativ un trilion de sori, alimentate de găuri negre supermasive deja formate când cosmosul avea doar o fracțiune din vârsta sa actuală.

Cele mai îndepărtate două obiecte din catalog, denumite EUCL J172902.75+641018.1 și EUCL J125308.55+705432.3, au deplasări spre roșu de 7,77 și, respectiv, 7,69, plasându-se printre cele mai îndepărtate obiecte rezolvate individual în orice sondaj. Lumina lor a plecat când universul avea aproximativ 670 de milioane de ani.

Cum identifică Euclid obiecte care arată ca stele obișnuite

Detectarea quasariilor antici este o problemă de ac și claie. La distanțe extreme, emisia ultravioletă a unui quasar a fost întinsă de expansiunea universului în infraroșu apropiat, o deplasare care plasează liniile sale spectrale caracteristice la lungimi de undă pe care majoritatea instrumentelor terestre le ating cu greu și eficient. Mai practic, aspectul slab și roșcat rezultat face ca aceste obiecte să fie aproape imposibil de deosebit de stelele pitice roșii de tip M, mult mai apropiate și mult mai numeroase, în imaginile standard în lumină vizibilă. Majoritatea detectărilor de dinainte de Euclid se bazau pe potrivirea obiectelor în mai multe sondaje de adâncime și acoperire de filtre variate, urmată de prioritizarea candidaților pentru timpul costisitor de observare pe telescoape mari.

Euclid rezolvă ambele probleme simultan. Spectrometrul și fotometrul său în infraroșu apropiat (NISP) acoperă lungimi de undă între 0,95 și 2,0 microni, exact acolo unde cade emisia Lyman-alfa deplasată spre roșu a quasarilor cu z≥7, capturând în același timp fotometrie broadband care permite selecția inițială a candidaților. Suprafața sondajului, concepută să acopere în cele din urmă o treime din cer la adâncimi inaccesibile de pe sol, generează un volum statistic suficient de mare pentru a conține mostre utile dintre cele mai rare obiecte. „Lumina lor primordială este atât slabă, cât și ușor de confundat cu cea a stelelor mai apropiate de noi,” a declarat Antonio La Marca, cercetător ESA în cadrul echipei Euclid.

Echipa lui Yang a aplicat un algoritm de selecție fotometrică datelor Q1, a identificat candidați compatibili cu quasari la z≥7 și a confirmat detectările folosind modul spectroscopic al NISP-ului, fără a necesita o campanie separată de pe sol. Câștigul de eficiență față de metodele anterioare de sondaj este diferența dintre rezultatul cumulat al unui deceniu și douăsprezece obiecte confirmate într-un an.

Ce înseamnă, de fapt, pragul deplasării spre roșu de 7

Deplasarea spre roșu cuantifică cât de mult s-a extins universul de când un foton a fost emis. O deplasare de z=7 corespunde unui univers care avea aproximativ o optime din dimensiunea sa liniară actuală, ceea ce se traduce printr-un timp de privire înapoi de aproximativ 13 miliarde de ani și o vârstă cosmică de 670 de milioane de ani după Big Bang. În acel moment, universul finaliza reionizarea, tranziția în care emisia ultravioletă a primelor surse luminoase a ionizat hidrogenul gazos care menținuse cosmosul timpuriu opac.

Quasarii cu z≥7 s-au numărat printre principalii factori ai reionizării, dar sunt și paradoxul ei: necesită găuri negre supermasive care au crescut suficient de repede pentru a atinge miliarde de mase solare la un moment din istoria cosmică în care, conform modelelor standard de formare a structurilor, abia dacă fusese timp să se formeze primele stele. Gaura neagră centrală a Căii Lactee, Sagittarius A*, cântărește aproximativ patru milioane de mase solare și a acumulat această masă pe întreaga durată de 13,8 miliarde de ani a universului. Găurile negre care alimentează quasarii cu z≥7 din catalogul Euclid cântăresc de sute până la mii de ori mai mult, dar au acumulat această masă în mai puțin de 5% din aceeași perioadă.

„Acești monștri — care cântăresc de miliarde de ori masa soarelui nostru — existau cumva deja când universul era la începuturile sale,” a declarat Joseph Hennawi, supervizorul lui Yang la UC Santa Barbara și coautor al articolului. Faptul că au fost găsiți peste o duzină într-un singur an de date demonstrează că nu sunt anomalii statistice: eșantionul este acum suficient de mare pentru a fi tratat ca o populație.

Ce nu rezolvă catalogul

Detectările confirmate suplimentare întăresc un caz cantitativ, fără a face încă distincția între mecanismele de formare propuse. Printre candidații principali se numără acreția super-Eddington susținută, în care gazul cade într-o gaură neagră germen mai repede decât limita canonică a presiunii de radiație pentru perioade suficient de lungi pentru a construi masele observate; colapsul direct al norilor masivi de gaz primordial în găuri negre germen mult mai grele decât orice rămășiță stelară; și fuziunea rapidă a roiurilor stelare dense timpurii înainte ca prima generație de găuri negre supermasive să se fi activat. Fiecare mecanism se confruntă cu constrângeri observaționale independente, iar datele Euclid nu includ încă caracterizările galaxiei gazdă necesare pentru a le testa direct.

Articolul lui Yang notează că catalogul de 31 de obiecte reprezintă o subgrupă luminoasă dintr-o populație de bază mai mare, acelea suficient de strălucitoare și la combinația potrivită de deplasare spre roșu și poziție pe cer pentru a ieși clar din datele Q1. Modelele de completitudine vor necesita sondajul larg complet Euclid, care continuă să observe. Un avertisment practic se aplică tuturor celor 31 de obiecte: caracterizarea galaxiei gazdă, esențială pentru testarea modelelor de formare, necesită observații mai profunde decât oferă sondajul însuși. Silvia Belladitta de la Institutul Max Planck pentru Astronomie din Heidelberg a efectuat spectroscopia de urmărire pentru al doilea cel mai îndepărtat obiect din catalog; campaniile planificate de pe sol vor aborda întregul eșantion.

Întrebări frecvente despre quasarii antici ai lui Euclid

Ce este exact un quasar și de ce contează luminozitatea sa?

Un quasar este miezul intens luminos al unei galaxii, alimentat de o gaură neagră supermasivă care acumulează activ gazul din jur. Pe măsură ce materialul se încălzește în discul de acreție, radiază pe întreg spectrul electromagnetic la o luminozitate capabilă să întreacă în strălucire toate stelele din galaxia gazdă la un loc. La distanțele raportate aici, doar motorul central este detectabil; galaxia gazdă este prea slabă și prea compactă pentru a fi rezolvată. Luminozitatea extremă este ceea ce îi permite lui Euclid să detecteze obiecte de la 13 miliarde de ani-lumină distanță.

De ce sunt descrise aceste obiecte ca o problemă pentru cosmologie?

Modelele standard de creștere a găurilor negre stabilesc un plafon natural al ratelor de acreție, cunoscut sub numele de limita Eddington. Un germen de masă stelară, cea mai mare gaură neagră pe care o poate lăsa în urmă o stea, care acumulează continuu la această rată nu poate atinge un miliard de mase solare în timpul disponibil între Big Bang și epoca pe care o locuiesc acești quasari. Găsirea a peste o duzină într-un singur an de sondaj înseamnă că sunt suficient de comune încât niciun eveniment exotic singular nu le poate explica; mecanismul de formare trebuie să funcționeze la scară largă.

Cum se compară Euclid cu sondajele anterioare pentru acest tip de obiect?

Sondajul larg Euclid va acoperi în cele din urmă aproximativ 14.000 de grade pătrate la sensibilități în infraroșu apropiat pe care sondajele terestre nu le pot egala pe suprafețe comparabile. Generația anterioară de sondaje, inclusiv Sloan Digital Sky Survey și UKIRT Infrared Deep Sky Survey, a identificat cea mai mare parte a catalogului anterior de quasari cu z≥7 pe parcursul a peste un deceniu de observații combinate. Instrumentul NISP al lui Euclid efectuează simultan echivalentul selecției inițiale și al screeningului spectroscopic, comprimând ceea ce necesita anterior campanii separate într-o singură trecere de observare.

Ce urmează în acest program de cercetare?

Spectroscopia de urmărire de pe sol este planificată pentru întregul eșantion de 31 de obiecte pentru a rafina măsurătorile deplasării spre roșu și a caracteriza galaxiile gazdă. Publicările suplimentare de date Euclid vor extinde catalogul pe măsură ce sondajul larg acumulează suprafață cerească. Publicarea datelor Q2 de la Euclid, care a acoperit umflătura galactică a Căii Lactee cu 60 de milioane de stele capturate în 26 de ore de observare, a fost lansată la sfârșitul lunii iunie; publicările ulterioare vor adăuga mai multă suprafață cerească extragalactică relevantă pentru căutările de quasari cu deplasare spre roșu mare. „Găsindu-i și studiindu-i,” a scris Yang, „putem înțelege mai bine cum s-au format și au crescut atât de repede aceste sisteme enorme.”

Referință: Yang et al., „Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,” Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Etichete: știri, astronomie, supermassive black holes, early universe, esa, euclid