Ostatnie obserwacje, w tym te z Kosmiczny Teleskop Hubble’asugerują, że wczesne galaktyki zawierały znacznie więcej czarnych dziur, niż wcześniej sądzono, co podważa naszą wiedzę na temat ich szybkiego wzrostu, biorąc pod uwagę ograniczony czas po Wielki Wybuch.
W badaniu analizowano różne teorie powstawania, w tym bezpośrednie zapadnięcia pod wpływem ciemnej materii i egzotyczne procesy z udziałem ciemnych gwiazd, przygotowując grunt pod przyszłe badania prowadzone przez obserwatoria kosmiczne nowej generacji, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbaktóre mają na celu odkrycie słabych kwazarów i potencjalnie być świadkami narodzin czarnych dziur.
Supermasywne czarne dziury
Supermasywne czarne dziury należą do najbardziej zdumiewających obiektów we wszechświecie, a ich masy mogą przekraczać miliard mas Słońca. Wiemy, że te masywne istoty istnieją już od długiego czasu.
Rzeczywiście, astronomowie zidentyfikowali niezwykle jasne, kompaktowe źródła zlokalizowane w centrach galaktyk, znane jako kwazary (szybko rosnące supermasywne czarne dziury), gdy Wszechświat miał mniej niż 1 miliard lat.
Obfitość czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie
Teraz nasze nowe badanie, opublikowane w Listy do dzienników astrofizycznychwykorzystał obserwacje z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a do wykazania, że we wczesnym Wszechświecie było znacznie więcej (znacznie mniej świecących) czarnych dziur, niż sugerowały poprzednie szacunki. Co ekscytujące, może nam to pomóc zrozumieć, jak powstały i dlaczego wiele z nich wydaje się masywniejszych, niż oczekiwano.
Czarne dziury rosną, pochłaniając otaczającą je materię w procesie zwanym akrecją. Powoduje to wytwarzanie ogromnych ilości promieniowania. Ciśnienie wywołane tym promieniowaniem stawia zasadniczą granicę o tym, jak szybko mogą rosnąć czarne dziury.
Dlatego też naukowcy stanęli przed wyzwaniem wyjaśnienia tych wczesnych, masywnych kwazarów: nie mając zbyt wiele kosmicznego czasu na pożywienie, musiały albo urosnąć szybciej, niż było to fizycznie możliwe, albo urodzić się zaskakująco masywne.
Źródło: NASA, ESA, Matthew Hayes (Uniwersytet w Sztokholmie), Steven VW Beckwith (UC Berkeley), Garth Illingworth (UC Santa Cruz), Richard Ellis (UCL), Joseph DePasquale (STScI)
Teorie powstawania czarnych dziur
Ale jak w ogóle powstają czarne dziury? Istnieje kilka możliwości. Pierwsza to tzw pierwotne czarne dziury istnieją już niedługo po Wielkim Wybuchu. Chociaż jest to prawdopodobne w przypadku czarnych dziur o małych masach, zgodnie ze standardowym modelem kosmologicznym masywne czarne dziury nie mogły powstać w znaczących ilościach.
Czarne dziury z pewnością mogą się formować (obecnie zweryfikowane przez astronomię fal grawitacyjnych) w końcowych stadiach krótkiego życia niektórych normalnych masywnych gwiazd. Takie czarne dziury mogłyby w zasadzie szybko rosnąć, gdyby uformowały się w niezwykle gęstych gromadach gwiazd, w których gwiazdy i czarne dziury mogą się łączyć. To właśnie te „nasiona masy gwiazdowej” czarnych dziur musiałyby rosnąć zbyt szybko.
Alternatywą jest to, że mogą one powstać z „ciężkie nasiona” o masach około 1000 razy większych niż znane masywne gwiazdy. Jednym z takich mechanizmów jest „bezpośrednie zapadnięcie się”, podczas którego wczesne struktury nieznanej, niewidzialnej substancji zwanej ciemną materią uwięziły obłoki gazu, podczas gdy promieniowanie tła zapobiegało tworzeniu się w nich gwiazd. Zamiast tego zapadły się w czarne dziury.
Problem w tym, że tylko niewielka część aureoli ciemnej materii osiąga rozmiary wystarczająco duże, aby utworzyć takie nasiona. Działa to więc jako wyjaśnienie tylko wtedy, gdy wczesne czarne dziury są wystarczająco rzadkie.
Najnowsze odkrycia i rola obserwacji
Przez lata mieliśmy dobry obraz tego, ile galaktyk istniało w ciągu pierwszego miliarda lat czasu kosmicznego. Jednak znalezienie czarnych dziur w takich środowiskach było niezwykle trudne (można było udowodnić jedynie świecące kwazary).
Chociaż czarne dziury rosną, połykając otaczającą materię, nie dzieje się to w stałym tempie – dzielą one swoje żerowanie na „posiłki”, co powoduje, że ich jasność zmienia się w czasie. Monitorowaliśmy niektóre z najwcześniejszych galaktyk pod kątem zmian jasności w ciągu 15 lat i wykorzystaliśmy to do przeprowadzenia nowego spisu liczby czarnych dziur.
Okazuje się, że w zwykłych wczesnych galaktykach znajduje się kilka razy więcej czarnych dziur, niż początkowo sądzono.
Rozpoczęły się inne, pionierskie prace z Kosmicznym Teleskopem Jamesa Webba (JSTW). dojść do podobnych wniosków. W sumie mamy więcej czarnych dziur, niż może powstać w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się.
Zaawansowane teorie i formacje egzotyczne
Istnieje inny, bardziej egzotyczny sposób tworzenia czarnych dziur, który może wytworzyć nasiona, które są zarówno masywne, jak i obfite. Gwiazdy powstają w wyniku grawitacyjnego kurczenia się obłoków gazu: jeśli w fazie kurczenia się można wychwycić znaczną liczbę cząstek ciemnej materii, wówczas struktura wewnętrzna można było całkowicie zmodyfikować – i zapobieżono zapłonowi jądrowemu.
Wzrost może zatem trwać wielokrotnie dłużej niż typowy czas życia zwykłej gwiazdy, dzięki czemu mogą stać się znacznie masywniejsze. Jednakże, podobnie jak zwykłe gwiazdy i obiekty zapadające się bezpośrednio, nic ostatecznie nie jest w stanie oprzeć się przemożnej sile grawitacji. Oznacza to, że te „ciemne gwiazdy” powinny w końcu zapaść się, tworząc masywne czarne dziury.
Obecnie wierzymy, że podobne procesy powinny były mieć miejsce, tworząc dużą liczbę czarnych dziur, które obserwujemy w niemowlęcym wszechświecie.
Przyszłe kierunki badań nad czarnymi dziurami
Badania wczesne czarna dziura formacja społeczna przeszła w ciągu ostatnich dwóch lat transformację, ale w pewnym sensie dziedzina ta dopiero się rozpoczyna.
Nowe obserwatoria w kosmosie, takie jak misja Euclid czy Nancy Grace Rzymski Teleskop Kosmicznywypełni nasz spis słabszych kwazarów we wczesnych okresach. The Misja NewAthena oraz Square Kilometre Array w Australii i Republice Południowej Afryki pozwolą nam zrozumieć wiele procesów otaczających czarne dziury we wczesnych okresach.
Ale tak naprawdę to JWST musimy obserwować w najbliższej przyszłości. Dzięki czułości obrazowania i monitorowania oraz możliwościom spektroskopowym umożliwiającym obserwację bardzo słabej aktywności czarnych dziur, spodziewamy się, że w ciągu następnych pięciu lat naprawdę ustalimy liczbę czarnych dziur w momencie powstawania pierwszych galaktyk.
Możemy nawet uchwycić powstawanie czarnych dziur w tym akcie, będąc świadkami eksplozji związanych z zapadaniem się pierwszych dziewiczych gwiazd. Modele mówią, że jest to możliwe, ale będzie wymagało skoordynowanego i oddanego wysiłku astronomów.
Napisane przez Matthew J. Hayesa, profesora nadzwyczajnego astrofizyki na Uniwersytecie w Sztokholmie.
Na podstawie artykułu pierwotnie opublikowanego w Rozmowa.
Odniesienie: „Glimmers in the Cosmic Dawn: A Census of the Youngest Supermassive Black Holes by Photometric Variability*” Matthew J. Hayes, Jonathan C. Tan, Richard S. Ellis, Alice R. Young, Vieri Cammelli, Jasbir Singh, Axel Runnholm, Aayush Saxena, Ragnhild Lunnan, Benjamin W. Keller, Pierluigi Monaco, Nicolas Laporte i Jens Melinder, 6 sierpnia 2024 r., Listy z dziennika astrofizycznego.
DOI: 10.3847/2041-8213/ad63a7
