Supermasywna czarna dziura. Rośnie 13 razy szybciej niż powinna

Supermasywna czarna dziura we wczesnym Wszechświecie

Zespół naukowców z japońskich uniwersytetów Waseda i Tohoku wykorzystał teleskop Subaru, by zbadać kwazar eFEDS J084222.9+001000, widziany takim, jaki był, gdy wszechświat miał mniej niż 1,5 mld lat. Analizując ruch gazu w pobliżu centrum kwazara, naukowcy oszacowali masę centralnej czarnej dziury. Do tego, bazując na danych rentgenowskich, określili tempo w jakim pochłania ona materię.

Supermasywne czarne dziury rosną, pochłaniając otaczający je gaz. Jeśli jednak gaz opada w kierunku czarnej dziury zbyt szybko, promieniowanie wytwarzane podczas tego procesu, zaczyna odpychać napływającą materię na zewnątrz, powodując spowolnienie przepływu. Maksymalna prędkość z jaką gaz może napływać, by układ pozostał stabilny, to granica Eddingtona.

Czarna dziura „sprzeczna” z teorią

Ku zaskoczeniu naukowców okazało się, że badana czarna dziura pochłania gaz z prędkością 13 razy przekraczającą granicę Eddingtona. Co więcej, mimo tak ekstremalnego tempa, czarna dziura nadal ma jasną koronę rentgenowską i silny dżet radiowy. To o tyle zaskakujące, że obecne modele przewidują, że w takiej sytuacji te emisje powinny być stłumione.

Naukowcy podejrzewają, że obiekt znajduje się w krótkotrwałym stadium przejściowym, po nagłym napływie gazu. W ten sposób daje rzadką szansę przyjrzenia się wzrostowi czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie.

To odkrycie może przybliżyć nas do zrozumienia, jak supermasywne czarne dziury powstawały tak szybko we wczesnym wszechświecie.

– podkreśla Sakiko Obuchi z Uniwersytetu Waseda.

Brakujący dowód

Już wcześniej zauważono kwazary z bardzo masywnymi czarnymi dziurami w bardzo młodym Wszechświecie. Problem w tym, że klasyczny, „spokojny” wzrost uwzględniający granicę Eddingtona nie tłumaczył tak szybkiego ich dojrzewania. Brakowało dowodów na realnie zachodzące, ekstremalne fazy szybkiego wzrostu. Kwazar badany przez Japończyków jest jednym z pierwszych tak wyraźnych przykładów tego procesu.

Szybki wzrost czarnych dziur w symulacjach

W odrębnym badaniu naukowcy z irlandzkiego Uniwersytetu Maynooth użyli zaawansowanych symulacji komputerowych, by wyjaśnić, jak pierwsze czarne dziury mogły rosnąć w chaotycznych, bogatych w gaz środowiskach wczesnego wszechświata. Badacze podkreślają, że pierwsza generacja czarnych dziur rosła niezwykle szybko, osiągając rozmiary dziesiątki tysięcy razy większe od naszego Słońca.

Symulacje wykazały, że gęste koncentracje gazu wokół młodych czarnych dziur mogły dostarczać paliwa tak szybko, że przytłoczyły mechanizmy sprzężenia zwrotnego promieniowania. Innymi słowy, środowisko mogło czasowo „wyłączyć” hamulec Eddingtona, pozwalając na ekstremalne fazy wzrostu. W takim obrazie kluczowe są krótkie, ale bardzo intensywne fazy wzrostu. Takie, jak te obserwowane teraz w przypadku kwazara eFEDS J084222.9+001000.

Ten przełom rozwiązuje jedną z największych zagadek astronomii – to, w jaki sposób czarne dziury, które powstały we wczesnym wszechświecie, zdołały tak szybko osiągnąć tak supermasywne rozmiary.

– mówi dr Lewis Prole z Uniwersytetu Maynooth.

Jak powstawały supermasywne czarne dziury?

Nowe wyniki badań przesuwają akcent ze „spokojnego” wzrostu czarnych dziur na scenariusz skokowy. Z młodych zalążków mogą wyrastać supermasywne czarne dziury, jeśli przechodzą one przez powtarzające się fazy ekstremalnych wzrostów w gęstym, bogatym w gaz otoczeniu.

Irlandzkie symulacje pokazują, że takie obiekty nie są egzotycznym wyjątkiem, lecz naturalnym elementem ewolucji wczesnych galaktyk. Japońskie obserwacje dostarczają z kolei rzeczywistego przykładu supermasywnej czarnej dziury „łamiącej prawa fizyki”.

Przeczytaj również: Webb zajrzał w serce galaktyki. Nieznany obraz czarnych dziur