Czarne dziury z wczesnego Wszechświata mogły być mniej masywne, niż sądzono

Astronomowie zaproponowali nowe wyjaśnienie zagadki obiektów odkrytych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Wyniki badań wskazują, że czarne dziury z wczesnego Wszechświata mogą być znacznie mniej masywne, niż sugerowały dotychczasowe pomiary, ponieważ ich niezwykle szybka akrecja zniekształca obserwacje.

Niezwykłe obiekty z początków Wszechświata

W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Alessandro Trinca z INAF Astronomical Observatory przyjrzeli się bliżej populacji niezwykle słabo emitujących promieniowanie rentgenowskie i pozornie zbyt masywnych czarnych dziur, odkrytych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, i doszli do wniosku, że obiekty te mogą w rzeczywistości nie być tak masywne, jak dotąd sądzono. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics”.

Dzięki obserwacjom prowadzonym przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba astronomom udało się wykryć masywne czarne dziury, które zamieszkiwały centra galaktyk już w pierwszym miliardzie lat istnienia Wszechświata. Obiekty te zdradziło światło emitowane podczas „pochłaniania” opadającej na nie materii.

Jak astronomowie szacują masę czarnych dziur

Aby oszacować masę czarnej dziury, naukowcy analizują gaz wirujący wokół niej z ogromnymi prędkościami, widoczny w postaci linii spektralnych. Im szybciej porusza się materiał, tym silniejsze jest pole grawitacyjne, a to oznacza większą masę czarnej dziury. Metoda ta od dziesięcioleci jest wykorzystywana w badaniach pobliskiego Wszechświata.

Jednak, jak podkreślają astronomowie, w przypadku najwcześniejszych czarnych dziur odkrytych przez Teleskop Webba pojawił się problem – zastosowanie tej samej metody prowadziło do wniosku, że są one znacznie bardziej masywne, niż wskazywałyby na to galaktyki, w których się znajdują. Relacja między ich masami wyraźnie odbiegała od tej obserwowanej we współczesnym Wszechświecie. Ponieważ trudno wyjaśnić, jak czarne dziury mogły osiągnąć tak ogromne rozmiary w tak krótkim czasie, astronomowie od dawna poszukują alternatywnego wyjaśnienia.

Czarne dziury z wczesnego Wszechświata i zagadka promieniowania rentgenowskiego

Dodatkową zagadką jest fakt, że wielu z tych obiektów naukowcom nie udaje się wykryć w promieniach rentgenowskich. To zaskakujące, ponieważ nad dyskiem akrecyjnym aktywnej czarnej dziury zwykle znajduje się korona – obszar niezwykle gorącej plazmy odpowiedzialny za emisję promieniowania rentgenowskiego.

Zdaniem astronomów oba problemy mogą mieć wspólne wyjaśnienie – akrecję super-Eddingtonowską (super-Eddington accretion). Dochodzi do niej wtedy, gdy czarna dziura pochłania materię szybciej, niż wynosi teoretyczna granica, przy której własne promieniowanie powinno odpychać opadający gaz. Tak intensywne „pochłanianie” mogłoby jednocześnie osłabiać emisję promieniowania rentgenowskiego i zniekształcać linie emisyjne wykorzystywane do szacowania masy czarnej dziury.

Nowy model lepiej wyjaśnia obserwacje

Badacze opracowali model uwzględniający fizykę akrecji super-Eddingtonowskiej oraz szczegółowe widmo dysku akrecyjnego. Następnie ponownie przeanalizowali 14 czarnych dziur, których nie wykryto w promieniach rentgenowskich, a które wcześniej badano standardowymi metodami.

Analizy wykazały, że każdy obiekt można było wyjaśnić na dwa zupełnie różne sposoby. W pierwszym scenariuszu były to ogromne, lecz niemal nieaktywne czarne dziury, które pochłaniają tak niewiele gazu, że praktycznie nie emitują promieniowania. W drugim były to znacznie mniejsze obiekty, zasilane w ekstremalnym tempie poprzez akrecję super-Eddingtonowską. Taki proces w naturalny sposób prowadziłby do słabej emisji promieniowania rentgenowskiego.

Porównanie obu scenariuszy wykazało, że niemal wszystkie z 14 badanych obiektów znacznie lepiej odpowiadały modelowi stosunkowo niewielkich, ale bardzo szybko rosnących czarnych dziur. Hipoteza zakładająca istnienie „gigantycznych, lecz uśpionych” czarnych dziur okazała się znacznie mniej prawdopodobna z fizycznego punktu widzenia.

Potrzebne będą dalsze badania

Badacze zaznaczają jednak, że ich model nie uwzględnia obecności gęstych obłoków gazu, które również mogłyby pochłaniać promieniowanie rentgenowskie.

Astronomowie wskazują, że przyszłe obserwacje prowadzone w różnych zakresach długości fal oraz bardziej szczegółowe analizy widm pozwolą dokładniej określić masy tych czarnych dziur i tempo ich akrecji. Jeśli wyniki zostaną potwierdzone, mogą pomóc rozwiązać jeden z największych problemów dotyczących ewolucji czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, pokazując, że szybko rosnące obiekty mogą jedynie sprawiać wrażenie znacznie masywniejszych, niż są w rzeczywistości.

Emil Gołoś