Astronomowie odkryli niezwykle szybko rosnącą supermasywną czarną dziurę we wczesnym Wszechświecie
Naukowcy odkryli, że czarna dziura we wczesnym Wszechświecie, około 12 miliardów lat temu, rosła niezwykle szybko. Obserwacje mogą pomóc lepiej zrozumieć, jak te tajemnicze obiekty stawały się niezwykle duże na początkach istnienia kosmosu.
.W ramach nowego badania, naukowcy z Waseda University i Tohoku University odkryli niezwykły kwazar we wczesnym Wszechświecie, w którym znajdowała się jedna z najszybciej rosnących supermasywnych czarnych dziur znanych w podobnej skali masy. Obserwacje przeprowadzone za pomocą Subaru Telescope ujawniły, że kwazar przechodzi niezwykle szybką akrecję, jednocześnie świecąc jasno w promieniowaniu rentgenowskim i wytwarzając silną emisję radiową z wytwarzanego przez siebie dżetu, są to cechy, których współistnienie nie zostało przewidziane modelach teoretycznych. Zdaniem astronomów, to niezwykłe zestawienie zjawisk może pomóc lepiej zrozumieć, w jaki supermasywne czarne dziury rosły we wczesnym Wszechświecie. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal”.
Supermasywne czarne dziury, o masie od milionów do miliardów razy większej od masy Słońca, znajdują się w centrach większości galaktyk. Rosną one, przyciągając otaczający je gaz. Gdy materiał ten spiralnie zbliża się do obiektu, tworzy dysk akrecyjny i może również zasilać zwarty obszar gorącej plazmy znany jako korona, który jest głównym źródłem promieniowania rentgenowskiego. W niektórych układach powstają również dżety (skolimowany strumień plazmowej materii wyrzucany z relatywistycznymi prędkościami z biegunów), które emitują silne fale radiowe. Najjaśniejsze i aktywnie „pochłaniające” materię czarne dziury nazywane są kwazarami. Jednak astronomowie od lat zastanawiają się, w jaki sposób niektóre z tych obiektów stały się tak masywne tak wcześnie w historii kosmosu.
Wiodącą koncepcją szybkiego wczesnego wzrostu jest akrecja super-Eddingtona. W standardowej teorii, gdy materia opada na czarną dziurę, zostaje podgrzana przez co pojawia się silne promieniowanie w szerokim zakresie, które następnie wywiera ciśnienie na opadający materiał. Gdy szybkość opadania materii osiągnie wartość krytyczną, ciśnienie promieniowania równoważy grawitację czarnej dziury przez co materia nie może już opadać na czarną dziurę w dużym tempie. Ta właśnie wartość krytyczna nazywana została granicą Eddingtona. Jednak w szczególnych warunkach czarne dziury mogą tymczasowo przekroczyć tę granicę, umożliwiając szybki przyrost masy w krótkich kosmicznych skalach czasowych.
Aby sprawdzić, czy taki szybki wzrost mógł wystąpić we wczesnym Wszechświecie, naukowcy wykorzystał spektrograf bliskiej podczerwieni (MOIRCS) znajdujący się na teleskopie Subaru do pomiaru ruchu gazu w pobliżu kwazara i oszacowania masy czarnej dziury. Udało im się odkryć, że supermasywna czarna dziura we wczesnym Wszechświecie, sprzed około 12 miliardów lat, ma tempo akrecji, wywnioskowane na podstawie obserwacji rentgenowskich, osiągające około 13-krotność granicy Eddingtona.
Jak podkreślają naukowcy, tym co sprawiało, że odkryty obiekt był szczególny, było jego zachowanie w wielu długościach fal. Dotychczasowe modele przewidują, że podczas faz super-Eddingtona wewnętrzna struktura przepływu materii zmienia się w sposób, który może zmniejszyć obserwowaną emisję promieniowania rentgenowskiego, a dżety mogą być mniej widoczne.
Jednak ten kwazar świeci jasno zarówno w promieniowaniu rentgenowskim, jak i falach radiowych, co wskazuje, że rośnie w ekstremalnym tempie, jednocześnie utrzymując aktywną koronę i potężny dżet. Ta nieoczekiwana kombinacja, zdaniem naukowców sugeruje istnienie mechanizmów fizycznych, które nie zostały jeszcze w pełni uchwycone przez obecne modele zachowania czarnych dziur.
Astronomowie sugerują, że obiekt mógł zostać uchwycony podczas krótkotrwałego etapu przejściowego – na przykład po nagłym wyrzucie gazu. W tym scenariuszu gwałtowny wzrost akrecji mógłby doprowadzić układ do stanu super-Eddingtona, podczas gdy jasna korona rentgenowska i dżet pozostawałyby obecne przez ograniczony czas, zanim układ ustabilizowałby się.
Jeśli założenie to okaże się słuszne, stanowi ono rzadką okazję do obserwacji przez badaczy zmiennego w czasie wzrostu czarnej dziury we wczesnym Wszechświecie, co pomogłoby lepiej zrozumieć, w jaki sposób obiekty te stawały się niezwykle masywne.
Jak opisują astronomowie, silna emisja radiowa kwazara sugeruje, że dżet ma wystarczającą energię, aby wpływać na swoje otoczenie. Tego rodzaju zjawiska mogą dostarczać energię do galaktyki macierzystej, potencjalnie wpływając na proces powstawania gwiazd i kształtując jej ewolucję.
.„To odkrycie może przybliżyć nas do zrozumienia, w jaki sposób supermasywne czarne dziury powstały tak szybko we wczesnym Wszechświecie. Chcemy zbadać, co napędza niezwykle silną emisję promieniowania rentgenowskiego i radiowego oraz czy podobne obiekty ukrywały się w innych danych z badań” – podsumowuje Sakiko Obuchi z Waseda University.
Oprac. EG
