Astronomowie uchwycili jak czarna dziura o masie pośredniej pochłania gwiazdę

Naukowcy zaobserwowali jak czarna dziura o masie pośredniej pochłania gwiazdę. Może to pomóc lepiej zrozumieć te niezwykłe i bardzo rzadkie obiekty kosmiczne.

.Astronomowie z NASA wykorzystali Kosmiczny Teleskop Hubble’a i Teleskop kosmiczny Chandra w celu zidentyfikowania nowego możliwego przykładu rzadkiego rodzaju czarnej dziury. Jasne źródło promieniowania rentgenowskiego, nazwane NGC 6099 HLX-1, wydaje się znajdować w zwartej gromadzie gwiazd w gigantycznej galaktyce eliptycznej.

Zaledwie kilka lat po wystrzeleniu w 1990 roku, Teleskop Hubble’a odkrył, że galaktyki w całym Wszechświecie mogą zawierać w swoich centrach supermasywne czarne dziury o masie miliony lub miliardy razy większej niż masa Słońca. Dodatkowo mogą one zawierać również wiele mniejszych obiektów tego typu o masie mniejszej niż 100-krotność masy naszej gwiazdy. Badacze wskazują, że mogą się one tworzyć, gdy masywne gwiazdy osiągają koniec swojego życia i zapadają się.

Jednak, jak podkreślają astronomowie, znacznie trudniejsza do znalezienia jest czarna dziura o masie pośredniej (IMBH – intermediate-mass black hole), ważąca od kilkuset do kilku 100 tysięcy razy więcej niż masa Słońca. Ta pośrednia kategoria czarnych dziur jest trudna do wykrycia dla naukowców, ponieważ IMBH nie pochłaniają tak dużej ilości gazu i gwiazd, jak supermasywne znajdujące się w centrach galaktyk, które emitują silne promieniowanie.

Aby je znaleźć, naukowcy muszą uchwycić je, gdy od czasu do czasu pochłaniają gwiazdę, która się przypadkiem do nich zbliży – co astronomowie nazywają zdarzeniem zaburzenia pływowego (tidal disruption event) – gdy zostaje również wyrzucony strumień promieniowania.

.Najnowsza prawdopodobna czarna dziura o masie pośredniej, uchwycona w danych z teleskopów, znajduje się na obrzeżach galaktyki NGC 6099, około 40 tysięcy lat świetlnych od jej centrum, jak opisano w nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie The Astrophysical Journal. Galaktyka znajduje się w odległości około 450 milionów lat świetlnych od Układu Słonecznego, w gwiazdozbiorze Herkulesa.

Astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali niezwykłe źródło promieniowania rentgenowskiego na zdjęciu wykonanym przez Teleskop Chandra w 2009 roku. Następnie śledzili jego ewolucję za pomocą należącego do ESA obserwatorium kosmicznego XMM-Newton.

„Źródła rentgenowskie o tak ekstremalnej jasności są rzadkie poza jądrami galaktyk i mogą służyć jako kluczowe wskazówki do identyfikacji nieuchwytnych IMBH. Stanowią one kluczowe brakujące ogniwo w ewolucji czarnych dziur między tymi o masie gwiazdowej a supermasywnymi czarnymi dziurami” – mówi Yi-Chi Chang z National Tsing Hua University.

Jak tłumaczą badacze, emisja promieniowania rentgenowskiego pochodząca z NGC 6099 HLX-1 wskazywała na temperaturę 3 milionów stopni Celsjusza, co było zgodne ze zdarzeniem zaburzenia pływowego. Hubble znalazł dowody na istnienie małego skupiska gwiazd wokół czarnej dziury. Gromada ta dawałaby jej wiele okazji do pochłonięcia któregoś z obiektów, ponieważ gwiazdy znajdują się tak blisko siebie, że dzieli je średnio zaledwie kilka miesięcy świetlnych (około 500 miliardów kilometrów).

Możliwa znaleziona czarna dziura o masie pośredniej osiągnęła maksymalną jasność w 2012 roku, która następnie spadała aż do 2023 roku. Obserwacje optyczne i rentgenowskie w tym okresie nie pokrywały się, co komplikowało ich interpretację. Czarna dziura mogła rozerwać gwiazdę, która się do niej zbliżyła, tworząc dysk plazmy, który wykazywał zmienność jasności, lub mogła utworzyć dysk, który migotał, gdy gaz opadał w kierunku czarnej dziury.

„Jeśli czarna dziura o masie pośredniej pożera gwiazdę, ile czasu zajmuje jej połknięcie całego gazu? W 2009 roku obiekt HLX-1 był dość jasny. Następnie w 2012 roku stał się około 100 razy jaśniejszy. A potem znosu stał się mniej intensywny. Teraz musimy poczekać i zobaczyć, czy znów rozbłyśnie, czy też obserwowaliśmy początek i szczyt, a teraz po prostu jasność spada, aż zniknie” – twierdzi Roberto Soria z Italian National Institute for Astrophysics (INAF).

Ta czarna dziura o masie pośredniej znajduje się na obrzeżach galaktyki-gospodarza, NGC 6099, naukowcy przypuszczają, że w jej jądrze znajduje się supermasywna czarna dziura, która obecnie znajduje się w stanie spoczynku i nie pochłania większej ilości materiału.

Astronomowie podkreślają, że badanie IMBH może pomóc zrozumieć, jak powstają supermasywne czarne dziury. Istnieją dwie alternatywne teorie. Jedna z nich zakłada, że czarne dziury o masie pośredniej są nasionami, z których powstają jeszcze większe obiekty poprzez łączenie się. Gdy większe galaktyki wchłaniają mniejsze, czarne dziury znajdujące się w środku również rosną podczas tych fuzji.

Obserwacje Hubble’a wykazały proporcjonalną zależność – im masywniejsza galaktyka, tym większa czarna dziura. Wyłaniający się z tego nowego odkrycia obraz również jest taki, że galaktyki mogą mieć „satelitarne IMBH”, które orbitują w halo galaktyki, ale nie zawsze spadają do centrum.

Inna teoria zakłada, że obłoki gazu w środku halo ciemnej materii we wczesnym Wszechświecie nie tworzyły najpierw gwiazd, lecz zapadały się bezpośrednio w supermasywne czarne dziury. Odkrycie przez należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, że bardzo odległe czarne dziury są nieproporcjonalnie bardziej masywne w stosunku do ich galaktyk macierzystych, zdaje się potwierdzać tę koncepcję.

Jednak może to być zależne od zdolności do wykrywania tych obiektów w odległym Wszechświecie, ponieważ te o mniejszych rozmiarach są zbyt słabe, aby naukwocy mogli je dostrzec. A w rzeczywistości mogła istnieć większa różnorodność w sposobie, w jaki czarne dziury tworzyły się na początku historii kosmosu.

Supermasywne czarne dziury zapadające się wewnątrz halo ciemnej materii mogą po prostu rosnąć w inny sposób niż te żyjące w galaktykach karłowatych, w których preferowanym mechanizmem wzrostu może być łączenie się lub pochłanianie materiału.

.„Jeśli będziemy mieli szczęście, znajdziemy więcej swobodnie poruszających się czarnych dziur, które nagle stają się jasne w promieniach rentgenowskich z powodu zaburzeń pływowych. Jeśli uda nam się przeprowadzić badanie statystyczne, powie nam to, ile jest takich IMBH, jak często pochłaniają one gwiazdy i jak większe galaktyki rozrastają się poprzez asymilację mniejszych” – podsumowuje Roberto Soria.

Oprac. EG