Żarłoczna czarna dziura. Pochłania materię w zawrotnym tempie

Supermasywne czarne dziury znajdują się w centrum większości galaktyk. Możliwości najnowszych teleskopów pozwalają astronomom obserwować obiekty i procesy z początków historii Wszechświata. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) wcześniej dostarczył obrazy czarnych dziur zbyt masywnych, jak na ich wiek. Według przyjętych teorii takie obiekty nie powinny istnieć, bo miały zbyt mało czasu na uformowanie się. Zrozumienie, w jaki sposób te obiekty tak szybko rosły, było poważnym wyzwaniem dla badaczy.

Jednak w niedawnych obserwacjach uczeni odkryli supermasywną czarną dziurę, o stosunkowo małej masie, która w niezwykle szybkim tempie pochłaniała otaczającą ją materię. Obiekt nazwany LID-568 obserwowany zaledwie 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu oferuje nowe wskazówki na temat tego, w jaki sposób czarne dziury we wczesnym Wszechświecie mogły tak szybko przybierać na masie.

Wyniki oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Nature Astronomy" (DOI: 10.1038/s41550-024-02402-9).

Czarna dziura LID-568 została zidentyfikowana przez międzynarodowy zespół astronomów kierowany przez Hyewon Suh z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab. Korzystając z teleskopu Webba zespół zbadał grupę galaktyk wybranych z przeglądu COSMOS z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra. Chociaż te galaktyki są niezwykle jasne w promieniach rentgenowskich, pozostają niewidoczne w świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni. Ale dzięki wyjątkowej czułości JWST astronomowie mogli wykryć słabe emisje z tych galaktyk.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Wśród obserwowanych galaktyk znalazł się też ta zawierająca czarną dziurę LID-568. Wyróżniała się intensywną emisją promieni rentgenowskich, ale badacze napotkali problem z ustaleniem jej dokładnej pozycji. Dopiero przy pomocy spektrografu pola integralnego na instrumencie NIRSpec JWST zespół ustalił dokładne położenie galaktyki.

Okazało się, że LID-568 jest zaskakująco daleko. Chociaż obiekt jest słabo widoczny z naszej pozycji we Wszechświecie, jego odległość oznacza, że ​​musi być niesamowicie jasny. Szczegółowe obserwacje ujawniły silne wypływy gazu wokół supermasywnej czarnej dziury, co jest oznaką akrecji. Prędkość i rozmiar wypływów doprowadziły badaczy do wniosku, że LID-568 pozyskała znaczną część swojej masy w pojedynczym epizodzie szybkiej akrecji.

Analiza zebranych danych pokazała, że LID-568 jest stosunkowo mała, jak na supermasywne czarne dziury i ma masę 7,2 miliona razy większą od masy Słońca. Ale ilość światła wytwarzanego przez materiał wokół dysku była o wiele większa, niż powinna być w stanie wytworzyć czarna dziura o tej masie.

Suh i jej zespół odkryli, że LID-568 wydaje się pożerać materię z szybkością 40 razy większą niż granica Eddingtona. Ta granica odnosi się do maksymalnej jasności, jaką może osiągnąć obiekt. W przypadku czarnych dziur odnosi się też do tego, jak szybko może ona pochłaniać materię z dysku akrecyjnego, tak aby jej siła grawitacyjna i ciśnienie emitowanego promieniowania pozostały w równowadze. Innymi słowy jest to wartość, przy której jasność obiektu jest równoważona przez przyciąganie grawitacyjne.

– Ta czarna dziura urządza sobie ucztę – mówi Julia Scharwächter z International Gemini Observatory/NSF NOIRLab. – Ten skrajny przypadek pokazuje, że szybki mechanizm pochłaniania materii powyżej granicy Eddingtona jest jednym z możliwych wyjaśnień, dlaczego widzimy bardzo masywne czarne dziury na tak wczesnym etapie historii Wszechświata – dodaje.

Te wyniki dostarczają nowych spostrzeżeń na temat powstawania supermasywnych czarnych dziur z mniejszych czarnych dziur. – Odkrycie to sugeruje, że znaczna część wzrostu masy może wystąpić podczas pojedynczego epizodu szybkiego pochłaniania materii – mówi Suh.

Badacze podkreślają, że nigdy czegoś takiego nie widzieli i że odkrycie LID-568 może pomóc rozwikłać jedną z największych tajemnic wczesnego Wszechświata: w jaki sposób supermasywne czarne dziury stają się tak niewiarygodnie masywne w tak krótkim czasie po Wielkim Wybuchu. Odkrycie to pokazuje również, że czarna dziura może przekroczyć granicę Eddingtona, a astronomom daje pierwszą okazję do zbadania, jak to się dzieje.

Możliwe, że potężne wypływy zaobserwowane w LID-568 mogą działać jak zawór uwalniający nadmiar energii generowanej przez ekstremalną akrecję, zapobiegając nadmiernej niestabilności systemu. Aby dokładniej zbadać działające mechanizmy, zespół planuje dalsze obserwacje za pomocą JWST.

Źródło: Association of Universities for Research in Astronomy, Science Alert, fot. NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani/ CC BY