Masywna czarna dziura we wczesnym Wszechświecie ucięła sobie drzemkę po przejedzeniu się
Naukowcy zauważyli masywną czarną dziurę we wczesnym Wszechświecie, która „drzemie” po przyjęciu zbyt dużej ilości gazu.
 |
| Wizja artystyczna czarnej dziury w jednym z jej krótkich okresów szybkiego wzrostu. Źródło: Jiarong Gu |
Niczym niedźwiedź objadający się łososiem przed zimową hibernacją, czy też bardzo wyczekiwana drzemka po świątecznym obiedzie, ta czarna dziura przejadła się do tego stopnia, że pozostaje uśpiona w swojej macierzystej galaktyce.
Międzynarodowy zespół astronomów, kierowany przez Uniwersytet w Cambridge, wykorzystał Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do wykrycia tej czarnej dziury we wczesnym Wszechświecie, zaledwie 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Czarna dziura jest olbrzymia – 400 milionów razy masywniejsza od naszego Słońca – co czyni ją jedną z najbardziej masywnych czarnych dziur odkrytych przez Webba na tym etapie rozwoju Wszechświata. Czarna dziura jest tak ogromna, że stanowi około 40% całkowitej masy swojej galaktyki macierzystej: dla porównania, większość czarnych dziur w lokalnym Wszechświecie ma masę około 0,1% masy galaktyki macierzystej.
Jednak pomimo swoich olbrzymich rozmiarów, ta czarna dziura pochłania gaz, którego potrzebuje do wzrostu, w bardzo niskim tempie – około 100 razy poniżej teoretycznego maksymalnego limitu – co czyni ją zasadniczo uśpioną.
Taka nadmiernie masywna czarna dziura tak wcześnie we Wszechświecie, ale taka, która nie rośnie, stanowi wyzwanie dla istniejących modeli rozwoju czarnych dziur. Naukowcy twierdzą jednak, że najbardziej prawdopodobnym scenariuszem jest to, że czarne dziury przechodzą przez krótkie okresy skrajnie szybkiego wzrostu, po których następują długie okresy uśpienia. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature.
Gdy czarne dziury „drzemią”, świecą znacznie słabiej, przez co trudniej je dostrzec, nawet za pomocą bardzo czułych teleskopów, takich jak Webb. Czarne dziury nie mogą być bezpośrednio obserwowane, ale zamiast tego są wykrywane przez charakterystyczną poświatę wirującego dysku akrecyjnego, który tworzy się w pobliżu krawędzi czarnej dziury. Gdy czarna dziura aktywnie rośnie, gaz w dysku akrecyjnym staje się niezwykle gorący i zaczyna świecić i emitować energię w zakresie ultrafioletowym.
Mimo że ta czarna dziura jest uśpiona, jej ogromny rozmiar umożliwił nam jej wykrycie – powiedział główny autor Ignas Juodžbalis z Kavli Institute for Cosmology w Cambridge. Jej stan uśpienia pozwolił nam również poznać masę galaktyki macierzystej. Wczesny Wszechświat zdołał wyprodukować absolutne potwory, nawet w stosunkowo małych galaktykach.
Zgodnie ze standardowymi modelami, czarne dziury powstają z zapadających się pozostałości martwych gwiazd i akreują materię aż do przewidywanej granicy, znanej jako granica Eddingtona, gdzie ciśnienie promieniowania na materię pokonuje przyciąganie grawitacyjne czarnej dziury. Jednak sam rozmiar tej czarnej dziury sugeruje, że standardowe modele mogą nie wyjaśniać odpowiednio, w jaki sposób te potwory tworzą się i rosną.
Możliwe, że czarne dziury rodzą się duże, co mogłoby wyjaśniać, dlaczego Webb dostrzegł ogromne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie – powiedział współautor profesor Roberto Maiolino z Instytutu Kavli i Laboratorium Cavendisha w Cambridge. Ale inną możliwością jest to, że przechodzą one przez okresy nadaktywności, po których następują długie okresy uśpienia.
Współpracując z kolegami z Włoch, naukowcy z Cambridge przeprowadzili szereg symulacji komputerowych, aby modelować, w jaki sposób ta uśpiona czarna dziura mogła urosnąć do tak ogromnych rozmiarów tak wcześnie we Wszechświecie. Odkryli, że najbardziej prawdopodobnym scenariuszem jest to, że czarne dziury mogą przekraczać granicę Eddingtona przez krótkie okresy, podczas których rosną bardzo szybko, po czym następują długie okresy bezczynności: naukowcy twierdzą, że czarne dziury, takie jak ta, prawdopodobnie karmią się przez pięć do dziesięciu milionów lat i śpią przez około 100 milionów lat.
Wyjaśnienie uśpionej czarnej dziury okresami hiperaktywności brzmi sprzecznie z intuicją, ale te krótkie wybuchy pozwalają jej szybko rosnąć, podczas gdy większość czasu spędza na drzemce – powiedział Maiolino.
Ponieważ okresy uśpienia są znacznie dłuższe niż okresy skrajnie szybkiego wzrostu, to właśnie w tych okresach astronomowie mają największe szanse na wykrycie czarnych dziur. To był pierwszy wynik, który otrzymałem w ramach mojego doktoratu i zajęło mi trochę czasu, aby docenić, jak niezwykły był – powiedział Juodžbalis. Dopiero gdy zacząłem rozmawiać z moimi kolegami astronomami teoretycznymi, byłem w stanie dostrzec prawdziwe znaczenie tej czarnej dziury.
Ze względu na niską jasność, uśpione czarne dziury są trudniejsze do wykrycia przez astronomów, ale naukowcy twierdzą, że ta czarna dziura jest prawie na pewno wierzchołkiem znacznie większej góry lodowej, jeśli czarne dziury we wczesnym Wszechświecie spędzają większość czasu w stanie uśpienia.
Jest prawdopodobne, że zdecydowana większość czarnych dziur znajduje się w stanie uśpienia – jestem zaskoczony, że znaleźliśmy tę jedną, ale jestem podekscytowany myślą, że możemy znaleźć o wiele więcej – powiedział Maiolino.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
