Jak supermasywne czarne dziury mogły powstać we wczesnym Wszechświecie

Supermasywne czarne dziury znajdują się w centrum większości galaktyk, a nowoczesne teleskopy obserwują je w zaskakująco wczesnych momentach ewolucji Wszechświata.

Zdaniem astronomów, trudno jest zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury były w stanie rosnąć tak szybko. Jednak wraz z odkryciem LID-568 – supermasywnej czarnej dziury o niskiej masie, pożerającej materię w ekstremalnym tempie, zaobserwowanej zaledwie 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, badacze uzyskali cenny nowy wgląd w mechanizmy szybkiego wzrostu tych niezwykle gęstych obiektów we wczesnym Wszechświecie.

LID-568 została odkryta przez naukowców z Gemini International Observatory/NSF NOIRLab, pod kierownictwem Hyewona Suha. Wykorzystali oni Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) do obserwacji próbki galaktyk z przeglądu COSMOS przeprowadzonego przez Obserwatorium Rentgenowskie Chandra. Badanie „A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST”, zostało opublikowane w czasopiśmie Nature Astronomy.

Jak tłumaczą naukowcy, ta populacja galaktyk jest bardzo jasna w widmie rentgenowskim, ale niewidoczna w zakresie optycznym i bliskiej podczerwieni. Wyjątkowa czułość JWST w podczerwieni pozwoliła na wykrycie tych słabych emisji.

LID-568 wyróżniała się w próbce intensywną emisją promieniowania rentgenowskiego, ale jej dokładnej pozycji, badacze nie mogli określić na podstawie samych obserwacji rentgenowskich, co budziło obawy o prawidłowe wyśrodkowanie celu w polu widzenia JWST.

Zamiast używać tradycyjnej spektroskopii szczelinowej, badacze użyli spektrografu integralnego pola na NIRSpec JWST. Instrument ten może uzyskać widmo dla każdego piksela w polu widzenia urządzenia, zamiast ograniczać się do wąskiego wycinka.

„Ze względu na jej słaby charakter, wykrycie LID-568 byłoby niemożliwe bez JWST. Wykorzystanie spektrografu integralnego pola było innowacyjne i niezbędne do uzyskania naszej obserwacji” – mówi Emanuele Farina z Gemini International Observatory/NSF NOIRLab.

NIRSpec pozwolił astronomom uzyskać pełny widok celu i otaczającego go regionu, co doprowadziło do nieoczekiwanego odkrycia potężnych wypływów gazu wokół centralnej czarnej dziury. Prędkość i rozmiar tych emisji doprowadziły badaczy do wniosku, że znaczna część wzrostu masy LID-568 mogła nastąpić w jednym epizodzie szybkiej akrecji.

Naukowcy odkryli, że LID-568 wydaje się karmić materią w tempie 40-krotnie przekraczającym limit Eddingtona. Ograniczenie to odnosi się do maksymalnej jasności, jaką może osiągnąć czarna dziura i jak szybko może pochłaniać materię, aby jej wewnętrzna siła grawitacyjna i zewnętrzne ciśnienie generowane przez ciepło sprężonej, spadającej materii pozostały w równowadze.

Kiedy obliczyli, że jasność LID-568 była znacznie wyższa niż teoretycznie możliwa, astronomowie zrozumieli, że trafili na coś niezwykłego.

„Ta czarna dziura urządziła sobie ucztę. Ten ekstremalny przypadek pokazuje, że mechanizm szybkiego karmienia powyżej granicy Eddingtona jest jednym z możliwych wyjaśnień, dlaczego widzimy supermasywne czarne dziury tak wcześnie we Wszechświecie” – podkreśla Julia Scharwächter z Gemini International Observatory/NSF NOIRLab.

Jak twierdzą naukowcy, wyniki te dostarczają nowych informacji na temat tego jak supermasywne czarne dziury powstają z mniejszych „ziaren”, które zgodnie z obecnymi teoriami tworzą się albo w wyniku śmierci pierwszych gwiazd we Wszechświecie, albo w wyniku bezpośredniego zapadania się obłoków gazu. Do tej pory teorie te nie zostały potwierdzone obserwacyjnie.

„Odkrycie czarnej dziury akreującej super-Eddingtona sugeruje, że znaczna część wzrostu masy może nastąpić podczas pojedynczego epizodu o dużej mocy, niezależnie od tego, czy czarna dziura pochodzi z lekkiego czy ciężkiego zalążka” – tłumaczy Suh.

Odkrycie LID-568 pokazuje również, że czarna dziura może przekroczyć swój limit Eddingtona i daje astronomom pierwszą okazję do zbadania, jak to się dzieje.

Możliwe, że potężne wypływy obserwowane w LID-568 mogą działać jak zawór uwalniający nadmiar energii generowanej przez ekstremalną akrecję, zapobiegając nadmiernej niestabilności obiektu. Aby zbadać te mechanizmy bardziej szczegółowo, astronomowie planują dalsze obserwacje za pomocą JWST, co pomoże jeszcze lepiej zrozumieć to, jak supermasywne czarne dziury mogły powstać we wczesnym Wszechświecie.

Oprac. EG