Supermasywną czarną dziurę odkryto zaledwie pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu – Ars Technica

Przeczesując niektóre z najstarszych galaktyk we wszechświecie, badacze odkryli galaktykę, która prawdopodobnie zawiera aktywnie zasilaną centralną czarną dziurę. Na podstawie ilości emitowanego przez nią promieniowania naukowcy szacują, że stanowi ono mniej więcej połowę masy całej galaktyki, co jest zdumiewająco dużą wartością w porównaniu z nowoczesnymi galaktykami.

Fakt, że tak duży obiekt mógł istnieć zaledwie pół miliarda lat po Wielkim Wybuchu, nakłada ścisłe ograniczenia na sposób jego powstania, co zdecydowanie sugeruje, że supermasywne czarne dziury powstały bez przechodzenia przez etap pośredni z udziałem gwiazdy.

Stare zdjęcia rentgenowskie

Pierwsze znane nam galaktyki we wszechświecie zostały zidentyfikowane za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który wykorzystywał gromadę galaktyk na pierwszym planie, która przybliżała odległe galaktyki poprzez soczewkowanie grawitacyjne. Korzystając z soczewki określonej matrycy, Webb zidentyfikował 11 galaktyk, które sfotografowano, ponieważ istniały niecałe miliard lat po Wielkim Wybuchu.

Międzynarodowy zespół astronomów postanowił zbadać te galaktyki, aby potwierdzić istnienie supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach współczesnych galaktyk. Kiedy te galaktyki się odżywiają, emitują obfite ilości promieni rentgenowskich, dlatego badacze zwrócili się ku Chandrze Aby zebrać wystarczającą ilość danych, Chandra spędziła do dwóch tygodni na fotografowaniu jednego miejsca.

Stwierdzono wyraźne dopasowanie do galaktyki o nazwie UHZ1, którą powiększono prawie czterokrotnie za pomocą soczewkowania grawitacyjnego. Promienie rentgenowskie z tego miejsca wyróżniały się nad tłem o cztery odchylenia standardowe. (Mogą istnieć informacje na temat promieni rentgenowskich powiązanych z pozostałymi 10 galaktykami, ale badacze twierdzą, że opublikują je osobno.) UHZ1 ma przesunięcie ku czerwieni wynoszące z=10, co oznacza, że ​​patrzymy na niego tak, jak istniał około 500 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Ilość energii pochodzącej z tego źródła promieniowania rentgenowskiego odpowiada aktywnym jąderom galaktycznym, czyli obiektom czerpiącym energię z supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki. Na podstawie wykrytych długości fal badacze uważają, że obiekt znajduje się w otoczce pyłu i gazu w galaktyce macierzystej.

Jak szybko pożera czarna dziura?

Aby zrozumieć te wyniki, należy poznać granicę Eddingtona, która określa, jak szybko czarna dziura łączy materię z otoczenia. Został nazwany na cześć Arthura Eddingtona, który przeprowadził na niej pierwsze obliczenia, granicę wyznaczył fakt, że materia musi stracić energię, aby wpaść do czarnej dziury, w przeciwnym razie po prostu pozostałaby na orbicie wokół niej. Energia ta zostanie utracona w postaci promieniowania, które zostanie pochłonięte przez pobliską materię i odepchnięte od czarnej dziury.

W rezultacie, nawet jeśli czarna dziura ma mnóstwo materiału, którym może się pożywić, jej dieta jest ograniczona: pobiera zbyt dużo, a promieniowanie blokuje jej dopływ pożywienia. Zatem biorąc pod uwagę masę czarnej dziury, granicę Eddingtona można obliczyć jako maksymalną ilość materii, jaką może ona pomieścić w danym czasie.

Istnieją sposoby na przekroczenie limitu Eddingtona, jeśli materia jest skierowana w stronę czarnej dziury. Wymagają one jednak bardzo specyficznego składu gazu zasilającego materiał bezpośrednio pod studnią grawitacyjną, dlatego uważa się, że przejadanie się Eddingtona jest tymczasową aberracją.

Pierwszym sposobem, w jaki granica Eddingtona wchodzi w grę, jest to, że pomaga badaczom oszacować rozmiar czarnej dziury. Biorąc pod uwagę ilość emitowanej przez nią energii i zakładając, że zasilana jest na poziomie granicy Eddingtona, można wyznaczyć dolną granicę masy czarnej dziury (jeśli zasilałaby ją poniżej granicy Eddingtona, byłaby cięższa). Na podstawie tych obliczeń czarna dziura w UHZ1 musi wynosić co najmniej 10⁷ razy większa od masy Słońca.

Na podstawie szacunków masy gwiazd w UHZ1 sugeruje to, że centralna czarna dziura stanowi połowę masy galaktyki. Inaczej mówiąc, czarna dziura jest prawie tak masywna, jak wszystko inne w galaktyce razem wzięte.

W obecnym wszechświecie centralne supermasywne czarne dziury stanowią jedynie około 0,1% masy ich galaktyk. Sugeruje to, że uchwyciliśmy UHZ1 na bardzo wczesnym etapie jego rozwoju, co nie jest zaskakujące, biorąc pod uwagę jego wiek.

Jak zbudować supermasywną czarną dziurę

Praca ta ma również ważne implikacje dla powstawania supermasywnych czarnych dziur. Były dwa pomysły na to, jak coś tej wielkości mogłoby się rozwinąć. Jedna z hipotez jest taka, że ​​pierwsze gwiazdy były bardzo duże i utworzyły niezwykle duże czarne dziury. Mogłyby one szybko rosnąć w wyniku fuzji, żywiąc się gęstym środowiskiem gazu obecnym w pierwszych galaktykach.

Przeciwny pogląd jest taki, że wzrost ten następowałby zbyt wolno. Zamiast tego ludzie twierdzą, że supermasywne czarne dziury zawsze były bardzo duże i powstały na bardzo wczesnym etapie historii Wszechświata w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się niezwykle gęstych obłoków gazu.

Naukowcy przeprowadzili obliczenia, zakładając, że czarna dziura powstała około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Odkryli, że czarna dziura utworzona w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się chmury gazu musiałaby przez całą swoją historię zasilać granicę Eddingtona, aby osiągnąć masę znalezioną w UHZ1. Dla kontrastu, czarna dziura utworzona przez supernową jednej z pierwszych gwiazd musiałaby przez całą swoją historię zasilać dwukrotnie więcej niż limit Eddingtona.

Analiza ta nie uwzględnia fuzji, ale badacze wskazują, że mniejsza czarna dziura miałaby stosunkowo małe przyciąganie grawitacyjne, więc nie byłaby w stanie przechwycić tylu swoich sąsiadów, aby się połączyć. Chociaż superżywienie Eddingtona jest możliwe, jest mało prawdopodobne, aby trwało setki milionów lat potrzebnych do zbudowania czarnej dziury tej wielkości.

Ważne jest, aby traktować ten wynik z pewną ostrożnością, ponieważ jest to pierwsza supermasywna czarna dziura, którą udało nam się poddać tego typu analizie. Jednak w miarę jak Webb będzie przyzwyczajony do poznawania większej liczby wczesnych galaktyk, prawdopodobnie będziemy w stanie opracować kompletny zestaw wczesnych czarnych dziur do analizy. Może to ostatecznie da nam jaśniejszy obraz jego powstawania i rozwoju.

Astronomia fizyczna, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-02111-9 (O identyfikatorach cyfrowych).