Ekstremalnie głodna czarna dziura prawie tak stara, jak Wszechświat
Spojrzenie w przeszłość ujawnia młode aktywne jądro galaktyczne, którego centralna czarna dziura wydaje się szybko rosnąć zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu.
 |
| Wizja artystyczna jasnego, bardzo wczesnego, aktywnego jądra galaktycznego. Źródło: NSF/AUI/NSF NRAO/B. Saxton |
Astronomowie odkryli ważny element układanki dotyczący tego, w jaki sposób supermasywne czarne dziury były w stanie rosnąć tak szybko we wczesnym Wszechświecie: specjalny rodzaj aktywnego jądra galaktycznego, tak odległego, że jego światło potrzebowało ponad 12,9 miliarda lat, aby do nas dotrzeć. Ten tzw. blazar służy jako marker statystyczny: jego istnienie implikuje obecność dużej, ale ukrytej populacji podobnych obiektów, z których wszystkie powinny emitować potężne strumienie cząsteczek. W tym miejscu odkrycie staje się ważniejsze dla kosmicznej ewolucji: uważa się, że czarne dziury z dżetami mogą rosnąć znacznie szybciej niż te bez strumieni.
Aktywne jądra galaktyk (AGN) to niezwykle jasne centra galaktyk. „Silnikami” napędzającymi ich ogromną produkcję energii są supermasywne czarne dziury. Materia opadająca na takie czarne dziury (akrecja) jest najbardziej wydajnym mechanizmem znanym fizyce, jeżeli chodzi o uwalnianie ogromnych ilości energii. Ta niezrównana wydajność jest powodem, dla którego AGN są w stanie wyprodukować więcej światła niż wszystkie inne gwiazdy w setkach, tysiącach, a nawet większej liczbie galaktyk razem wziętych i w objętości przestrzeni mniejszej niż nasz własny Układ Słoneczny.
Uważa się, że co najmniej 10% wszystkich AGN emituje skupione wiązki wysokoenergetycznych cząstek, znane jako strumienie. Dżety te wystrzeliwane są z bezpośredniego sąsiedztwa czarnej dziury w dwóch przeciwnych kierunkach, podtrzymywane i kierowane przez pola magnetyczne w dysku akrecyjnym materii. Abyśmy mogli zobaczyć AGN jako blazar, musi wydarzyć się coś bardzo nieprawdopodobnego: Ziemia, nasza baza obserwacyjna, musi znajdować się w odpowiednim miejscu, aby strumień AGN był skierowany bezpośrednio w naszą stronę. Rezultatem jest astronomiczny odpowiednik sytuacji, w której ktoś świeci wiązką bardzo jasnej latarki prosto w oczy: szczególnie jasny obiekt na niebie. Co charakterystyczne dla blazarów, obserwujemy również szybkie zmiany jasności w skali dni, godzin a nawet krótszej – jest to konsekwencja przypadkowych zmian w wirującym dysku akrecyjnym u podstawy strumieni oraz niestabilności w oddziaływaniu strumieni między polami magnetycznymi i naładowanymi cząstkami.
Odnajdywanie AGN w bardzo wczesnym Wszechświecie
Nowe odkrycie było wynikiem systematycznych poszukiwań aktywnych jąder galaktycznych we wczesnym Wszechświecie, prowadzonych przez Eduardo Bañadosa, kierownika grupy w Instytucie Astronomii Maxa Plancka, który specjalizuje się w pierwszych miliardach lat historii kosmosu, oraz międzynarodowy zespół astronomów. Ponieważ światło potrzebuje czasu, aby do nas dotrzeć, widzimy odległe obiekty takimi, jakimi były miliony, a nawet miliardy lat temu. W przypadku bardziej odległych obiektów, tak zwane kosmologiczne przesunięcie ku czerwieni, spowodowane kosmiczną ekspansją, przesuwa ich światło na znacznie dłuższe fale niż te, na których światło zostało wyemitowane. Bañados i jego zespół wykorzystali ten fakt, systematycznie poszukując obiektów, które były przesunięte ku czerwieni tak daleko, że nie były nawet widoczne w zwykłym świetle widzialnym (w tym przypadku w przeglądzie Dark Energy Legacy Survey), ale były jasnymi źródłami w badaniach radiowych (przegląd VLASS 3 GHz).
Spośród 20 kandydatów, którzy spełniali oba kryteria, tylko jeden, oznaczony jako J0410-0139, spełnił dodatkowe kryterium wykazywania znacznych fluktuacji jasności w zakresie radiowym – zwiększając prawdopodobieństwo, że był to blazar. Naukowcy sięgnęli głębiej, wykorzystując niezwykle dużą baterię teleskopów, w tym obserwacje w bliskiej podczerwieni za pomocą Teleskopu Nowej Technologii (NNT), widmo z Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), dodatkowe widma w bliskiej podczerwieni z LBT, jednego z teleskopów Keck i Teleskopu Magellana, obrazy rentgenowskie z teleskopów XMM-Newton i Chandra, obserwacje fal milimetrowych za pomocą macierzy ALMA i NOEMA oraz bardziej szczegółowe obserwacje radiowe za pomocą teleskopów VLA w celu potwierdzenia statusu obiektu jako AGN, a konkretnie blazar. Obserwacje pozwoliły również określić odległość AGN (poprzez przesunięcie ku czerwieni), a nawet znaleźć ślady galaktyki macierzystej, w której AGN jest osadzone. Światło z tej galaktyki aktywnej potrzebowało 12,9 miliarda lat, aby dotrzeć do nas (z=6,9964), niosąc informacje o Wszechświecie takim, jakim był 12,9 miliarda lat temu.
„Gdzie jest jeden, tam jest i setka innych”
Według Bañadosa, fakt, że J0410-0139 jest blazarem, strumieniem, który przypadkowo kieruje się bezpośrednio w stronę Ziemi, ma natychmiastowe implikacje statystyczne. Wyobraźmy sobie, że czytamy o kimś, kto wygrał 100 milionów dolarów na loterii. Biorąc pod uwagę, jak rzadka jest taka wygrana, można natychmiast wnioskować, że musiało być znacznie więcej osób, które brały udział w loterii, ale nie wygrały tak wygórowanej kwoty. Podobnie, znalezienie jednej AGN ze strumieniem skierowanym bezpośrednio w naszą stronę implikuje, że w tym okresie kosmicznej historii musiało istnieć wiele AGN ze strumieniami, które nie są skierowane w naszą stronę. Krótko mówiąc, słowami Silvii Belladitty, postdoktorantki w MPIA i współautorki artykułu: Gdzie jest jeden, jest sto innych.
Światło z poprzedniego rekordzisty najodleglejszego blazara potrzebowało około 100 milionów lat mniej, aby do nas dotrzeć (z=6,1). Dodatkowe 100 milionów lat może wydawać się krótkie w świetle faktu, że patrzymy ponad 12 miliardów lat wstecz, ale stanowią one kluczową różnicę. Jest to czas, w którym Wszechświat szybko się zmienia. W ciągu tych 100 milionów lat supermasywna czarna dziura może zwiększyć swoją masę o rząd wielkości. Opierając się na obecnych modelach, liczba AGN powinna wzrosnąć od pięciu do dziesięciu razy w ciągu tych 100 milionów lat. Odkrycie, że taki blazar istniał 12,8 miliarda lat temu, nie byłoby niczym nieoczekiwanym. Znalezienie takiego blazara 12,9 miliardów lat temu, jak w tym przypadku, to zupełnie inna sprawa.
Pomaganie czarnym dziurom w rozwoju 12,9 miliardów lat temu
Obecność całej populacji AGN ze strumieniami w tym szczególnym wczesnym okresie ma znaczące implikacje dla historii kosmosu i wzrostu supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk w ogóle. Czarne dziury, których AGN mają strumienie, mogą potencjalnie przybierać na masie szybciej niż czarne dziury bez strumieni. Wbrew powszechnemu przekonaniu, gazowi trudno jest wpaść do czarnej dziury. Naturalną rzeczą dla gazu jest okrążanie czarnej dziury, podobnie jak planeta okrąża Słońce, ze zwiększoną prędkością w miarę zbliżania się gazu do czarnej dziury (zachowanie momentu pędu). Aby do niej wpaść, gaz musi zwolnić i stracić energię. Pola magnetyczne związane ze strumieniem cząstek, które oddziałują z wirującym dyskiem gazu, mogą zapewnić taki mechanizm hamowania i pomóc gazowi wpaść do środka.
Oznacza to, że konsekwencje nowego odkrycia mogą stać się podstawą każdego przyszłego modelu wzrostu czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie: sugerują one istnienie 12,9 miliarda lat temu wielu aktywnych jąder galaktycznych, które posiadały strumienie, a tym samym powiązane z nimi pola magnetyczne, które mogą pomóc czarnym dziurom rosnąć ze znaczną prędkością.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
