Przejdź do głównej zawartości

W jaki sposób supermasywne czarne dziury rosną tak szybko?

Czarne dziury we wczesnym Wszechświecie stanowią pewien problem. Na podstawie obserwacji z teleskopów na Ziemi i w kosmosie wiemy, że niektóre czarne dziury przybrały masę nawet miliarda mas Słońca w zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu. Nasze obecne modele wzrostu czarnych dziur nie są jednak w stanie wyjaśnić tej prędkości. Jak więc powstały te supermasywne czarne dziury?


Jest to problem, który od dawna nęka astronomów. Nasze obecne rozumienie sugeruje, że w tych ramach czasowych powinny być w stanie rosnąć tylko tak zwane czarne dziury o masie pośredniej do 100 000 razy większej niż masa Słońca. I choć zaproponowano kilka teorii dotyczących tego szybkiego wczesnego wzrostu czarnej dziury, odpowiedź pozostaje nieuchwytna.

Czarne dziury powstają, gdy masywna gwiazda wypali swoje paliwo, czasem jako rezultat supernowej, a innym razem bez supernowej, co nazywa bezpośrednim kolapsem. Gdy gwiazda nie ma już paliwa do spalenia, nie może dalej utrzymać swojej masy i zapada się. Jeżeli masa gwiazdy była wystarczająco duża, zapadnie się w obiekt o ogromnym przyciąganiu grawitacyjnym, z którego nic, nawet światło, nie będzie w stanie uciec – czarną dziurę.

W miarę jak czarna dziura stopniowo przyciąga coraz więcej pobliskich pyłów i gazów, może rosnąć, osiągając w końcu olbrzymie proporcje supermasywnej czarnej dziury, takiej jak pierwsza zobrazowana w 2019 r. Naukowcy badają, czy supermasywne czarne dziury mogły powstać z supermasywnych gwiazd, które zapadły się, tworząc duże „nasiona” czarnych dziur, dając im przewagę we wzroście.

Dr John Regan, astrofizyk z Dublin City University koordynował projekt o nazwie SmartStars, w którym wykorzystano jeden z najpotężniejszych superkomputerów w Irlandii., ICHEC, w celu modelowania, w jaki sposób nadolbrzymy mogą dostarczyć nasiona supermasywnych czarnych dziur. Zespół chciał sprawdzić, czy gwiazdy te mogą przyczynić się do szybkiego wzrostu supermasywnych czarnych dziur, które widzimy dzisiaj w centrum niemal każdej galaktyki.

Odkryli, że takie gwiazdy mogą wzrosnąć do 250 000 mas Słońca w ciągu 200 mln lat od Wielkiego Wybuchu – kuszący wynik. Jednak nawet superkomputery mają swoje ograniczenia. Naukowcom udało się modelować przyszłość takich gwiazd jedynie przez milion lat, a modelowanie musi obejmować 800 mln lat aby zobaczyć, czy te gwiazdy rzeczywiście mogą być ziarnami supermasywnych czarnych dziur.

Inne teorie dotyczące tego, w jaki sposób te czarne dziury rosły tak szybko, są takie, że niewielka część czarnych dziur rosła w niewiarygodnym tempie lub że mniejsze czarne dziury się ze sobą zlewały, by urosnąć do supermasywnej czarnej dziury.

Dr Muhammad Latif, astrofizyk z Uniwersytetu Zjednoczonych Emiratów Arabskich w Abu Zabi, zgadza się z dr Reganem, że model supermasywnej gwiazdy pozostaje w tej chwili naszą najlepszą teorią. Dr Latif był głównym badaczem projektu FIRSTBHs, który, podobnie jak SmartStars, badał wiarygodność modelu supermasywnych gwiazd, wykorzystując symulacje na superkomputerze we Francji.

Jego projekt, który został przeprowadzony w CNRS we Francji, wykazał, że supermasywne gwiazdy mogą wytwarzać nasiona czarnych dziur o masach setek tysięcy mas Słońca, co by znaczyło, że początkowe nasiona czarnych dziur są wystarczająco duże, by uwzględnić wzrost supermasywnych czarnych dziur o miliardy mas Słońca w tak krótkim czasie.

Wymaga to jednak, aby warunki we wczesnym Wszechświecie były odpowiednie, by mogły powstać te czarne dziury. Byłyby potrzebne duże ilości materii wodorowej i helowej do wytworzenia wystarczającej ilości nasion masywnych czarnych dziur, by wytworzyć supermasywne czarne dziury, co wydaje się możliwe. 

Ale inne niewyjaśnione czynniki oznaczają, że wciąż pytanie to pozostaje otwarte. Na przykład nasiona czarnych dziur musiałyby przybierać materię w tempie co najmniej 0,1 masy Słońca rocznie, a obecnie nie jest jasne, czy jest to możliwe.

Kilka obserwatoriów już umożliwia nam badanie czarnych dziur we Wszechświecie. W październiku 2019 roku astronomowie ogłosili, że użyli ALMA do odkrycia grubego pierścienia gazu i pyłu wokół supermasywnej czarnej dziury w odległej galaktyce. Uważa się, że gdy dwa strumienie obracają się w przeciwnych kierunkach, pierścień mógł zasilać supermasywną czarną dziurę wystarczającą ilością materii, aby spowodować jej szybki wzrost.

Wcześniej, w sierpniu 2019 r. Obserwatorium rentgenowskie Chandra zdołało dostrzec tzw. „zakamuflowaną” czarną dziurę rosnącą gwałtownie, gdy Wszechświat miał zaledwie 6% swojego obecnego wieku. Gęsty obłok gazu kryje czarną dziurę i powstały kwazar, jasny obszar przegrzanej materii, który ją otacza, ale Chandra była w stanie ją dostrzec, widząc promieniowanie X wyłaniające się z obłoku.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:

Popularne posty z tego bloga

Wykryto największą eksplozję w historii Wszechświata

Naukowcy badający odległą gromadę galaktyk odkryli największą eksplozję obserwowaną we Wszechświecie od czasów Wielkiego Wybuchu.

Wybuch pochodził z supermasywnej czarnej dziury w centrum odległej o setki milionów lat świetlnych stąd galaktyki. W trakcie eksplozji zostało uwolnione pięć razy więcej energii, niż przy poprzednim ówczesnym najpotężniejszym wybuchu.
Astronomowie dokonali tego odkrycia przy użyciu danych z obserwatorium rentgenowskiego Chandra i XMM-Newton, a także danych radiowych z Murchison Widefield Array (MWA) w Australii i Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) w Indiach.
Ten potężny wybuch został wykryty w gromadzie galaktyk Ophiuchus, która znajduje się około 390 mln lat świetlnych stąd. Gromady galaktyk to największe struktury we Wszechświecie utrzymywane razem przez grawitację, zawierające tysiące pojedynczych galaktyk, ciemną materię i gorący gaz.
W centrum gromady Ophiuchus znajduje się duża galaktyka zawierająca supermasywną czarną dziurę. Naukowcy uważają, że źró…

Odkryto najbliższą znaną „olbrzymią planetę niemowlęcą”

Nowonarodzona masywna planeta znajduje się zaledwie 100 parseków od Ziemi.

Naukowcy odkryli nowonarodzoną masywną planetę bliższą Ziemi niż jakikolwiek tego typu obiekt w podobnym wieku. Olbrzymia niemowlęca planeta, nazwana 2MASS 1155-7919 b, znajduje się w asocjacji Epsilon Chamaeleontis i leży tylko około 330 lat świetlnych od naszego Układu Słonecznego.
„Ciemny, chłodny obiekt, który znaleźliśmy, jest bardzo młody i ma zaledwie 10 mas Jowisza, co oznacza, że prawdopodobnie patrzymy na planetę niemowlęcą, być może wciąż w fazie formowania się. Chociaż zostało odkrytych wiele innych planet podczas misji Kepler i innych podobnych, prawie wszystkie z nich są planetami ‘starymi’. Obiekt ten jest jednocześnie czwartym lub piątym przykładem planety olbrzymiej krążącej tak daleko od swojej gwiazdy macierzystej. Teoretycy usiłują wyjaśnić, w jaki sposób się tam uformowały lub jak tam dotarły” – powiedziała Annie Dickson-Vandervelde, główna autorka pracy.
Do odkrycia naukowcy wykorzystali dane…

Czy rozwiązano tajemnicę ekspansji Wszechświata?

Badacz z Uniwersytetu Genewskiego rozwiązał naukową kontrowersję dotyczącą tempa ekspansji Wszechświata, sugerując, że na dużą skalę nie jest ono całkowicie jednorodne.


Ziemia, Układ Słoneczny, cała Droga Mleczna i kilka tysięcy najbliższych nam galaktyk porusza się w ogromnym „bąblu” o średnicy 250 mln lat świetlnych, gdzie średnia gęstość materii jest o połowę mniejsza niż w pozostałej części Wszechświata. Taka jest hipoteza wysunięta przez fizyka teoretyka z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) jako rozwiązanie zagadki, która od dziesięcioleci dzieli społeczność naukową: z jaką prędkością rozszerza się Wszechświat? Do tej pory co najmniej dwie niezależne metody obliczeniowe osiągnęły dwie wartości różniące się o około 10% z odchyleniem, które jest statystycznie nie do pogodzenia. Nowe podejście usuwa tę rozbieżność bez korzystania z „nowej fizyki”.
Wszechświat rozszerza się od czasu Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce 13,8 mld lat temu – propozycja po raz pierwszy przedstawiona przez b…