Astronomowie mogli wykryć pierwsze dowody na istnienie „nasion” ciężkich czarnych dziur we wczesnym wszechświecie.
Te tak zwane nasiona mogą pomóc wyjaśnić, w jaki sposób niektóre supermasywne czarne dziury o masach milionów, a nawet miliardów mas Słońca mogą rosnąć wystarczająco szybko, aby istnieć mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu.
Nasiona supermasywnej czarnej dziury to prawdopodobnie czarne dziury o masie ponad 40 milionów mas naszego Słońca. Uważa się, że powstają w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się masywnego obłoku gazu, w przeciwieństwie do typowej czarnej dziury powstającej, gdy masywna gwiazda osiąga koniec swojego życia i zapada się pod wpływem własnej grawitacji. Galaktyki, w których przypuszczalnie znajdują się nasiona masywnych czarnych dziur, nazywane są supermasywnymi czarnymi dziurami (OBG).
Te galaktyki są prawdopodobnie bardzo daleko, widziane przez nasz teleskop tak, jak wtedy, gdy Wszechświat miał 13,8 miliarda lat, czyli około 400 milionów lat. A teraz naukowcy mogli wreszcie zidentyfikować jedno z tych OBG.
Powiązany: Fale grawitacyjne pokazują, że czarne dziury preferują określone masy przed zderzeniem
Zespół, kierowany przez naukowca z Harvardu i Smithsonian Center for Astrophysics, Akosa Bogdana, jako pierwszy odkrył obiekt o masie czarnej dziury podczas badania kwazarów za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST) i należącego do NASA obserwatorium rentgenowskiego Chandra. Zasilane supermasywnymi czarnymi dziurami kwazary są energetycznymi, bardzo jasnymi jądrami galaktyk. W rzeczywistości mogą być tak jasne, że przyćmiewają połączone światło każdej gwiazdy w galaktyce, w której się znajdują.
Ten, którego Bogdan i jego koledzy badali, żyje w galaktyce o nazwie UHZ1.
Jak się okazało, dane z JWST i Chandra dotyczące UHZ1 były zgodne z tym, czego można by oczekiwać od OBG. Zespół wykrył emisje promieniowania rentgenowskiego podsłuchując Chandrę, a emisje te wskazują na obecność czarnej dziury lub „narostu” związanego z kwazarem, co było szczególnie przekonujące w identyfikacji otaczającej galaktyki jako OBG.
Naukowcy porównali również swoje obserwacje z symulacjami szybkiego wzrostu nasion ciężkich czarnych dziur i odkryli, że istnieje dobre dopasowanie między nimi. Najlepsze, co znaleźli podczas tego porównania, to ziarno o masie 10 000 Słońc, które rosło przez kilkaset milionów lat.
„Opierając się na doskonałej zgodności między obserwowanymi charakterystykami wielofalowymi UHZ1 z przewidywaniami modelowymi z modelu teoretycznego, proponujemy, aby UHZ1 był pierwszym odkrytym kandydatem na OBG, podlegającym potwierdzeniu widmowemu przesunięcia ku czerwieni” – napisali autorzy w artykule wyjaśniającym odkrycie . „Dlatego, jako pierwszy kandydat na OBG, UHZ1 dostarcza przekonujących dowodów na powstawanie ciężkich protoziarn w wyniku bezpośredniego kolapsu we wczesnym wszechświecie”.
Jak ciężkie nasiona przyspieszają wzrost czarnych dziur
Sam rozmiar supermasywnych czarnych dziur nie przeszkadza naukowcom. To dlatego, że te kosmiczne olbrzymy miały miliardy lat na wzrost, żywiąc się otaczającym gazem i pyłem, a także łącząc się z innymi czarnymi dziurami. Na przykład jeden w sercu Drogi Mlecznej, Sagittarius A* (Sgr A*), miał wystarczająco dużo czasu, aby urosnąć do około 4,5 miliona mas Słońca. Czarna dziura w sercu galaktyki zwanej M87 zdołała się rozmnażać, ponieważ ma masę około 5 miliardów razy większą niż nasza gwiazda.
Ale ponieważ szacuje się, że te mechanizmy wzrostu zachodzą przez miliardy lat, wykrycie podobnych supermasywnych czarnych dziur, które istniały od 500 milionów lat do zaledwie miliarda lat po Wielkim Wybuchu, jest wyzwaniem. Te metody gromadzenia masy nie miały czasu na wytworzenie tak gigantycznych czarnych dziur. Jednak właśnie to odkryli astronomowie badający wczesny Wszechświat za pomocą JWST i innych narzędzi.
„To tak, jakby zobaczyć rodzinę idącą ulicą, która ma dwoje nastolatków o wzroście sześciu stóp i dwóch, ale mają też dziecko o wzroście sześciu stóp. To mały problem; jak to dziecko stało się takie wysokie?” John Regan, naukowiec z University of Maynooth, który nie był zaangażowany w te badania, mówi Space.com. „I tak samo jest z supermasywnymi czarnymi dziurami we wszechświecie. W jaki sposób stały się tak szybkie?”
Cóż, jedna z teorii głosi, że te czarne dziury uzyskały przewagę w procesach akrecji masy, wyrastając z „ziarna” mniejszej czarnej dziury.
Dominują w tej kwestii dwa kierunki myślenia. Z jednej strony eksperci sugerują, że supermasywne czarne dziury mogły wyrosnąć z nasion lekkiej czarnej dziury o masie odpowiadającej 10 do 100 masie Słońca. Te ziarna światła teoretycznie powstałyby w wyniku standardowego mechanizmu tworzenia czarnej dziury o masie gwiazdowej, czyli śmierci i zapadnięcia się pierwszej generacji gwiazd we wszechświecie.
Z drugiej strony wczesne supermasywne czarne dziury mogły wyrosnąć z masywnych czarnych dziur o masywnych masach około 100 000 mas Słońca. Mogły one powstać bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się masywnych obłoków materii, całkowicie pomijając „fazę gwiazdową” innych czarnych dziur. Astronomowie określają czarne dziury jako czarne dziury z bezpośrednim zapadnięciem się (DCBH).
DCBH mogłyby następnie rosnąć wraz z łączeniem się galaktyk, które były powszechne we wczesnym wszechświecie i które również dostarczałyby zapasy gazu i pyłu do tych pustych przestrzeni. W końcu inne czarne dziury mogą zderzać się i łączyć z nimi.
Regan porównuje to do dziecka o wzroście sześciu stóp, które rodzi się wysokie na trzy stopy. Nadal jest to trochę zagmatwane (i może irytujące), ale lepiej wyjaśnia, w jaki sposób dziecko tak szybko osiągnęło rozmiar dorosłego, przynajmniej łatwiej, niż gdyby maluch zaczynał na średnim wzroście niemowlęcia.
Oczekuje się, że inne mniejsze ziarna czarnej dziury nie spowodują powstania OBG, więc identyfikacja UHZ1 jako takiej galaktyki potwierdza istnienie ciężkiego ziarna czarnej dziury i uwiarygodnia jej rolę we wczesnym rozwoju supermasywnej czarnej dziury.
Jednak sami autorzy zwracają uwagę na ograniczenia swoich badań i zalecają ostrożność przy ekstrapolacji, że wzrost czarnej dziury wewnątrz UHZ1 osiągnął stan supermasywny. Sympatyzują również z tym, że potencjał tego wzrostu będzie w dużej mierze zależał od środowiska, w którym znajdzie się potencjalne ziarno, z dużą ilością gazu i pyłu niezbędnych do podtrzymania jego wzrostu.
Wciąż pozostaje wiele badań do przeprowadzenia, zanim populacja ciężkich czarnych dziur będzie mogła zostać potwierdzona i powiązana z supermasywnymi czarnymi dziurami we wczesnym wszechświecie, ale te wyniki są przynajmniej krokiem we właściwym kierunku.
Gdy JWST odkrywa więcej [distant and early] Poprzez akrecję czarnych dziur w nadchodzących cyklach planujemy przeanalizować te źródła, zbadać możliwe analogi promieniowania rentgenowskiego za pomocą Chandry i pogłębić zrozumienie OBG oraz fizyki ciężkiego zasiewania”.
„To odkrycie dostarcza więcej dowodów na scenariusz z ciężkimi nasionami” – powiedział Regan Space.com. „Biorąc pod uwagę masy innych czarnych dziur w JWST, które zaobserwowano, powiedziałbym, że ciężar dowodów wskazuje teraz silnie na scenariusz z ciężkimi ziarnami wzrostu supermasywnej czarnej dziury”.
Badania zespołu zostały przesłane do Astrophysical Journal Letters i są obecnie publikowane w repozytorium Papers arXiv.
„Nieuleczalny student. Społeczny mediaholik. Niezależny czytelnik. Myśliciel. Alkoholowy ninja”.
More Stories
Łazik marsjański NASA podąża ścieżką czegoś, co wygląda na starożytną rzekę
Nowa technologia słoneczna zamienia gazy cieplarniane w cenne paliwa
Wyciek helu opóźnia lot testowy załogi Starlinera