Odkryto najszybciej żywiącą się czarną dziurę we wczesnym Wszechświecie
Obserwacje z JWST i Chandra ujawniają supermasywną czarną dziurę o niskiej masie, która wydaje się pochłaniać materię z prędkością ponad 40 razy przekraczającą teoretyczny limit.
 |
| Wizja artystyczna przedstawiająca czerwoną, karłowatą galaktykę wczesnego Wszechświata, w której centrum znajduje się szybko żerująca czarna dziura. Źródło: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani |
Wykorzystując dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba i Obserwatorium Chandra, zespół astronomów NOIRLab odkrył supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki zaledwie 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, która pochłania materię w fenomenalnym tempie – ponad 40-krotnie przekraczającym teoretyczny limit. Ta krótkotrwała „uczta” czarnej dziury może pomóc astronomom wyjaśnić, w jaki sposób supermasywne czarne dziury rosły tak szybko we wczesnym Wszechświecie.
Supermasywne czarne dziury znajdują się w centrum większości galaktyk, a współczesne teleskopy nadal obserwują je w zaskakująco wczesnych momentach ewolucji Wszechświata. Trudno jest zrozumieć, w jaki sposób te czarne dziury były w stanie tak szybko urosnąć. Jednak dzięki odkryciu supermasywnej czarnej dziury o niskiej masie, pożerającej materię w ekstremalnym tempie, zaobserwowanej zaledwie 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, astronomowie uzyskali nowy, cenny wgląd w mechanizm szybkiego wzrostu czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie.
LID-568 została odkryta przez międzynarodowy zespół astronomów. Wykorzystali oni Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do obserwacji próbki galaktyk z przeglądu COSMOS przeprowadzonego przez Obserwatorium Rentgenowskie Chandra. Ta populacja galaktyk jest bardzo jasna w rentgenowskiej części widma, ale niewidoczna w zakresie optycznym i bliskiej podczerwieni. Wyjątkowa czułość JWST w podczerwieni pozwala na wykrycie tych słabych odpowiedników emisji.
LID-568 wyróżniała się w próbce intensywną emisją promieniowania rentgenowskiego, ale jej dokładnej pozycji nie można było określić na podstawie samych obserwacji rentgenowskich, co budziło obawy o prawidłowe wyśrodkowanie celu w polu widzenia JWST. Tak więc, zamiast używać tradycyjnej spektroskopii szczelinowej, naukowcy wspierający instrumenty JWST zasugerowali użycie spektrografu integralnego pola na NIRSpec. Instrument ten może uzyskać widmo dla każdego piksela w polu widzenia instrumentu, zamiast ograniczać się do wąskiego wycinka.
Ze względu na słabą naturę, wykrycie LID-568 byłoby niemożliwe bez JWST. Użycie spektrografu integralnego pola było innowacyjne i niezbędne do uzyskania naszej obserwacji – powiedział Emanuele Fraina, astronom z NOIRLab i współautor artykułu opublikowanego w Nature Astronomy.
NIRSpec JWST pozwolił zespołowi uzyskać pełny widok celu i otaczającego go regionu, co doprowadziło do nieoczekiwanego odkrycia potężnych wypływów gazu wokół centralnej czarnej dziury. Szybkość i rozmiar tych wypływów doprowadziły zespół do wniosku, że znaczna część wzrostu masy LID-568 mogła nastąpić w jednym epizodzie szybkiej akrecji. Ten przypadkowy wynik dodał nowy wymiar do naszego zrozumienia układu i otworzył ekscytujące możliwości badania – powiedziała Hyewon Suh, astronom NOIRLab i główna autorka artykułu.
W oszałamiającym odkryciu Suh i jej zespół odkryli, że LID-568 wydaje się odżywiać materią w tempie 40-krotnie przekraczającym jej granicę Eddingtona. Granica ta odnosi się do maksymalnej jasności, jaką może osiągnąć czarna dziura, a także do tego, jak szybko może pochłaniać materię, tak aby jej wewnętrzna siła grawitacyjna i ciśnienie zewnętrzne generowane przez ciepło sprężonej, spadającej materii pozostały w równowadze. Kiedy obliczono, że jasność LID-568 jest o wiele wyższa niż teoretycznie możliwa, zespół wiedział, że ma coś niezwykłego w swoich danych.
Ta czarna dziura urządza sobie ucztę – powiedziała astronom Międzynarodowego Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab i współautorka Julia Scharwächter. Ten ekstremalny przypadek pokazuje, że mechanizm szybkiego karmienia powyżej granicy Eddingtona jest jednym z możliwych wyjaśnień, dlaczego widzimy te bardzo ciężkie czarne dziury tak wcześnie we Wszechświecie.
Wyniki te dostarczają nowych informacji na temat powstawania supermasywnych czarnych dziur z mniejszych „zalążków” czarnych dziur, które według obecnych teorii powstają albo w wyniku śmierci pierwszych gwiazd Wszechświata (lekkie zalążki), albo w wyniku bezpośredniego zapadania się obłoków gazu (ciężkie zalążki). Do tej pory teorie te nie miały potwierdzenia obserwacyjnego. Odkrycie czarnej dziury akreującej super-Eddingtona sugeruje, że znaczna część wzrostu masy może nastąpić podczas pojedynczego epizodu szybkiego karmienia, niezależnie od tego, czy czarna dziura pochodzi z lekkiego czy ciężkiego nasiona – powiedziała Suh.
Odkrycie LID-568 pokazuje również, że czarna dziura może przekroczyć swoją granicę Eddingtona i daje astronomom pierwszą okazję do zbadania, jak to się dzieje. Możliwe, że potężne wypływy obserwowane w LID-568 mogą działać jako zawór uwalniający nadmiar energii generowanej przez ekstremalną akrecję, zapobiegając nadmiernej niestabilności układu. Aby dokładniej zbadać te mechanizmy, zespół planuje dalsze obserwacje za pomocą JWST.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
