Badania ujawniają więcej ukrytych supermasywnych czarnych dziur niż oczekiwano
Próba odnalezienia niektórych z największych, najbardziej aktywnych czarnych dziur we Wszechświecie pozwala lepiej oszacować stosunek ukrytych do nieukrytych potworów.
 |
| Supermasywna czarna dziura otoczona torusem gazu i pyłu przedstawiona w czterech różnych długościach fal światła. Widzialne światło (góra po prawej) i niskoenergetyczne promienie rentgenowskie (dół po lewej) są blokowane przez torus; podczerwień (góra po lewej) jest rozpraszana i ponownie emitowana; a niektóre wysokoenergetyczne promienie rentgenowskie (dół po prawej) mogą przenikać przez torus. Źródło: NASA/JPL-Caltech |
Niedawno wiele teleskopów pomogło naukowcom przeszukiwać niebo w poszukiwaniu supermasywnych czarnych dziur – tych, które są nawet miliardy razy masywniejsze od Słońca. Nowe badania są wyjątkowe, ponieważ prawdopodobieństwo znalezienia masywnych czarnych dziur ukrytych za gęstymi obłokami gazu i pyłu było takie samo, jak w przypadku tych, które nie są ukryte.
Astronomowie uważają, że w centrum każdej dużej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura. Testowanie tej hipotezy jest jednak trudne, ponieważ naukowcy nie mogą liczyć na znalezienie miliardów, a nawet bilionów supermasywnych czarnych dziur, o których sądzi się, że istnieją we Wszechświecie. Zamiast tego muszą ekstrapolować z mniejszych próbek, aby dowiedzieć się czegoś o większej populacji. Tak więc dokładny pomiar stosunku ukrytych supermasywnych czarnych dziur w danej próbce pomaga naukowcom lepiej oszacować całkowitą liczbę supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie.
Nowe badania, których wyniki opublikowano w Astrophysical Journal wykazało, że około 35% supermasywnych czarnych dziur jest silnie przesłoniętych, co oznacza, że otaczające je obłoki gazu i pyłu są tak gęste, że blokują nawet niskoenergetyczne promieniowanie rentgenowskie. Porównywalne badania wykazały wcześniej, że mniej niż 15% supermasywnych czarnych dziur jest tak zasłoniętych. Naukowcy uważają, że prawdziwy podział powinien być bliższy 50/50 w oparciu o modele rozwoju galaktyk. Jeżeli obserwacje nadal będą wskazywać, że znacznie mniej niż połowa supermasywnych czarnych dziur jest ukryta, naukowcy będą musieli zmienić niektóre kluczowe koncepcje dotyczące tych obiektów i roli, jaką odgrywają w kształtowaniu galaktyk.
Ukryty skarb
Chociaż czarne dziury są z natury ciemne – nawet światło nie jest w stanie uciec przed ich grawitacją – mogą być również jednymi z najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie: kiedy gaz zostaje wciągnięty na orbitę wokół supermasywnej czarnej dziury, niczym woda krążąca wokół odpływu, ekstremalna grawitacja wytwarza tak intensywne tarcie i ciepło, że gaz osiąga setki tysięcy stopni i promieniuje tak jasno, że może przyćmić wszystkie gwiazdy w otaczającej galaktyce.
Obłoki gazu i pyłu, które otaczają i uzupełniają jasny dysk centralny, mogą z grubsza przybierać kształt torusa. Jeżeli otwór w torusie skierowany jest w stronę Ziemi, widoczny jest jasny dysk centralny w jego wnętrzu; jeżeli torus widziany jest krawędzią do góry, dysk jest zasłonięty.
Większość teleskopów jest w stanie dość łatwo zidentyfikować supermasywne czarne dziury zwrócone frontem do Ziemi, choć nie te zwrócona krawędzią. Istnieje jednak wyjątek, z którego skorzystali autorzy nowej pracy: torus pochłania światło z centralnego źródła i reemituje światło o niższej energii w zakresie podczerwieni (długości fal nieco dłuższe niż te, które mogą wykryć ludzkie oczy). Zasadniczo torusy świecą w podczerwieni.
Te długości fal światła zostały wykryte przez Infrared Astronomical Satellite (IRAS), który działał przez 10 miesięcy w 1983 roku. IRAS, teleskop badawczy, który obrazował całe niebo, był w stanie zobaczyć emisje w podczerwieni z obłoków otaczających supermasywne czarne dziury. Co najważniejsze, był w stanie również dobrze dostrzec czarne dziury znajdujące się krawędzią, jak i frontem do nas.
IRAS złapał setki początkowych celów. Niektóre z nich okazały się nie być mocno przesłoniętymi czarnymi dziurami, ale galaktykami o wysokim tempie procesów gwiazdotwórczych, które emitują poświatę w podczerwieni. Autorzy nowego badania wykorzystali więc naziemne teleskopy światła widzialnego, aby zidentyfikować te galaktyki i oddzielić je od ukrytych czarnych dziur.
Aby potwierdzić, że czarne dziury ustawione są krawędzią i są mocno przesłonięte, naukowcy oparli się na obserwatorium rentgenowskim NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array). Promieniowanie rentgenowskie jest emitowane przez najgorętszą materię wokół czarnej dziury. Promieniowanie rentgenowskie o niższej energii jest pochłaniane przez otaczające obłoki gazu i pyłu, podczas gdy promieniowanie rentgenowskie o wyższej energii obserwowane przez NuSTAR może przenikać i rozpraszać się poza obłokami. Wykrycie tego promieniowania rentgenowskiego może zająć wiele godzin obserwacji, więc naukowcy pracujący z NuSTAR potrzebują najpierw teleskopu takiego jak IRAS, aby wskazał im, gdzie szukać.
Zdumiewa mnie, jak przydatne były IRAS i NuSTAR w tym projekcie, zwłaszcza pomimo tego, że IRAS działał ponad 40 lat temu – powiedział kierownik badań Peter Boorman, astrofizyk z Caltech w Pasadenie w Kalifornii. Myślę, że pokazuje to wartość archiwów teleskopów i korzyści płynące z używania wielu instrumentów i długości fal światła łącznie.
Przewaga liczbowa
Określenie liczby ukrytych czarnych dziur w porównaniu do tych, które nie są ukryte, może pomóc naukowcom zrozumieć, w jaki sposób te czarne dziury stają się tak duże. Jeżeli rosną one poprzez pochłanianie materii, to znaczna liczba czarnych dziur powinna być otoczona gęstymi obłokami i potencjalnie zasłonięta. Boorman i jego współpracownicy twierdzą, że ich badania potwierdzają tę hipotezę.
Ponadto czarne dziury wpływają na galaktyki, w których żyją, głównie poprzez wpływ na to, jak galaktyki rosną. Dzieje się tak, ponieważ czarne dziury otoczone masywnymi obłokami gazu i pyłu mogą pochłaniać ogromne – ale nie nieskończone – ilości materii. Jeśli w kierunku czarnej dziury spada zbyt wiele materii naraz, czarna dziura zaczyna wyrzucać jej nadmiar z powrotem do galaktyki. Może to spowodować rozproszenie obłoków gazu w galaktyce, w której formują się gwiazdy, spowalniając tempo ich powstawania.
Gdybyśmy nie mieli czarnych dziur, galaktyki byłyby znacznie większe – powiedział Poshak Gandhi, profesor astrofizyki na Uniwersytecie Southampton w Wielkiej Brytanii i współautor pracy. Gdybyśmy nie mieli supermasywnej czarnej dziury w naszej Galaktyce, na niebie mogłoby być znacznie więcej gwiazd. To tylko jeden z przykładów tego, jak czarne dziury mogą wpływać na ewolucję galaktyki.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
