Supermasywny o małej masie czarna dziura wydaje się pochłaniać materię w ilości ponad 40 razy większej niż teoretyczny limit.
Astronomowie korzystający z Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrył LID-568, supermasywną czarną dziurę zasilającą w tempie 40 razy większym niż limit Eddingtona, obserwowaną zaledwie 1,5 miliarda lat po Wielki Wybuch. Ta wyjątkowa obserwacja dostarczyła nowych informacji na temat wzrostu czarnej dziury z początkowych „nasion” i podważa obecne teorie ze względu na szybkie tempo akrecji i potężne wypływy.
Supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach większości galaktyk, a nowoczesne teleskopy zaczęły je obserwować zaskakująco wcześnie w historii Wszechświata. Zrozumienie, w jaki sposób te czarne dziury urosły tak szybko, było poważnym wyzwaniem. Jednak astronomowie odkryli niedawno supermasywną czarną dziurę o małej masie, która szybko pochłania otaczającą materię zaledwie 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, dostarczając nowych wskazówek na temat tego, jak czarne dziury we wczesnym Wszechświecie mogły rosnąć tak szybko.
Odkrycie LID-568
Czarna dziura, nazwana LID-568, została zidentyfikowana przez międzynarodowy zespół astronomów kierowany przez Hyewona Suha z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab. Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), zespół zbadał grupę galaktyk wybranych z przeglądu dziedzictwa COSMOS w Obserwatorium Rentgenowskim Chandra. Chociaż galaktyki te są niezwykle jasne w promieniowaniu rentgenowskim, pozostają niewidoczne w świetle optycznym i bliskiej podczerwieni. Dzięki wyjątkowej czułości JWST w podczerwieni astronomowie mogli wykryć słabe emisje z tych galaktyk, w tym nowo odkrytą LID-568.
LID-568 wyróżniał się na tle próbki intensywną emisją promieniowania rentgenowskiego, jednak na podstawie samych obserwacji rentgenowskich nie można było określić jego dokładnego położenia, co wzbudziło obawy dotyczące prawidłowego wyśrodkowania celu w polu widzenia JWST. Zamiast więc używać tradycyjnych spektroskopia szczelinowaNaukowcy zajmujący się wsparciem oprzyrządowania JWST zasugerowali, aby zespół Suha użył spektrograf pola całkowego na JWST NIRSpec. Instrument ten może uzyskać widmo dla każdego piksela w polu widzenia instrumentu, zamiast ograniczać się do wąskiego wycinka.
Przełom w badaniach nad czarnymi dziurami
„Ze względu na słaby charakter wykrywanie LID-568 byłoby niemożliwe bez JWST. Wykorzystanie spektrografu pola całkowego było innowacyjne i konieczne do uzyskania naszych obserwacji” – mówi Emanuele Farina, astronom z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab i współautor artykułu, który ukaże się dzisiaj (4 listopada) w czasopiśmie Astronomia przyrodnicza.
NIRSpec JWST umożliwił zespołowi uzyskanie pełnego obrazu celu i otaczającego go obszaru, co doprowadziło do nieoczekiwanego odkrycia potężnych wypływów gazu wokół centralnej czarnej dziury. Szybkość i wielkość tych wypływów doprowadziła zespół do wniosku, że znaczna część wzrostu masy LID-568 mogła nastąpić w pojedynczym epizodzie szybkiej akrecji. „Ten nieoczekiwany wynik dodał nowy wymiar do naszego zrozumienia systemu i otworzył ekscytujące możliwości badań” – mówi Suh.
Karmienie poza granicami
Dokonując oszałamiającego odkrycia Suh i jej zespół odkryli, że LID-568 wydaje się żerować na materii w tempie 40 razy większym niż Granica Eddingtona. Limit ten odnosi się do maksymalnej jasności, jaką może osiągnąć czarna dziura, a także tego, jak szybko może absorbować materię, tak aby jej wewnętrzna siła grawitacyjna i zewnętrzne ciśnienie generowane przez ciepło sprężonej, opadającej materii pozostały w równowadze. Kiedy obliczono, że jasność LID-568 jest znacznie wyższa niż teoretycznie możliwa, zespół wiedział, że ma coś niezwykłego w swoich danych.
„Ta czarna dziura urządza ucztę” – mówi Julia Scharwächter, astronomka i współautorka z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab. „Ten ekstremalny przypadek pokazuje, że mechanizm szybkiego karmienia powyżej granicy Eddingtona jest jednym z możliwych wyjaśnień, dlaczego widzimy te bardzo ciężkie czarne dziury tak wcześnie we Wszechświecie”.
Wyniki te dostarczają nowego wglądu w powstawanie supermasywnych czarnych dziur z mniejszych „nasion” czarnych dziur, które, jak sugerują obecne teorie, powstają albo w wyniku śmierci pierwszych gwiazd Wszechświata (lekkie nasiona), albo bezpośredniego zapadnięcia się obłoków gazu (ciężkie nasiona). Do tej pory teorie te nie miały potwierdzenia obserwacyjnego. „Odkrycie akreującej czarnej dziury super-Eddingtona sugeruje, że znaczna część wzrostu masy może nastąpić podczas pojedynczego epizodu szybkiego żerowania, niezależnie od tego, czy czarna dziura pochodzi z lekkiego czy ciężkiego nasionka” – mówi Suh.
Odkrycie LID-568 pokazuje również, że czarna dziura może przekroczyć granicę Eddingtona, a astronomom daje pierwszą okazję do zbadania, jak to się dzieje. Możliwe, że potężne wypływy zaobserwowane w LID-568 mogą działać jak zawór uwalniający nadmiar energii generowanej przez ekstremalną akrecję, zapobiegając nadmiernej niestabilności systemu. Aby dokładniej zbadać działające mechanizmy, zespół planuje dalsze obserwacje za pomocą JWST.
Odniesienie: „Czarna dziura akreująca super Eddingtona ~1,5 Gyr po Wielkim Wybuchu zaobserwowana za pomocą JWST” 4 listopada 2024 r., Astronomia Przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41550-024-02402-9
W skład zespołu wchodzą: Hyewon Suh (Międzynarodowe Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab, USA), Julia Scharwächter (Międzynarodowe Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab, USA), Emanuele Paolo Farina (Międzynarodowe Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab, USA), Federica Loiacono (INAF – Obserwatorium Astrofizyki i Nauk Kosmicznych, Włochy), Giorgio Lanzuisi (INAF – Obserwatorium Astrofizyki i Nauk o Kosmosie, Włochy), Günther Hasinger (Instytut Fizyki Jądrowej i Cząstek/DESY/Niemieckie Centrum Astrofizyki, Niemcy), Stefano Marchesi (INAF-Obserwatorium Astrofizyki i Nauk o Przestrzeni Kosmicznej, Włochy), Mar Mezcua (Instytut Nauk o Kosmosie/Instytut Studiów Przestrzennych Katalonii, Hiszpania), Roberto Decarli (INAF – Astrofizyka i Nauki o Przestrzeni Kosmicznej Obserwatorium, Włochy), Brian C. Lemaux (Międzynarodowe Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab, USA, Instytut Astrofizyki, Włochy), Marta Volonteri (Paryski Instytut Astrofizyki, Francja), Francesca Civano (NASA Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda, USA), Sukyoung K. Yi (Wydział Astronomii i Uniwersytet Yonsei Obserwatorium, Republika Korei), San Han (Wydział Astronomii i Obserwatorium Uniwersytetu Yonsei, Republika Korei), Mark Rawlings (Międzynarodowe Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab, USA), Denise Hung (Międzynarodowe Obserwatorium Gemini/NSF NOIRLab, USA)
