Astronomowie odkryli masywny uśpiony obiekt czarna dziura z wczesnego Wszechświata, zaledwie 800 milionów lat po Wielki Wybuchkorzystając z Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.
Ta czarna dziura o masie 400 milionów razy większej od naszego Słońca podważa istniejące modele wzrostu czarnej dziury ze względu na jej rozmiar i niskie tempo akrecji.
Bezprecedensowy rozmiar i zachowanie czarnej dziury
Naukowcy odkryli masywną czarną dziurę we wczesnym wszechświecie, która wydaje się „drzemać” po napełnieniu się zbyt dużą ilością pożywienia.
Podobnie jak niedźwiedź zapadający w sen zimowy po zjedzeniu łososia, ta czarna dziura najwyraźniej przejadła się i weszła w stan uśpienia w swojej galaktyce macierzystej.
Międzynarodowy zespół astronomów, kierowany przez Uniwersytet w Cambridge, odkrył tę starożytną czarną dziurę za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Jej początki sięgają zaledwie 800 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Ważąca niewiarygodną masę 400 milionów mas naszego Słońca, ta czarna dziura należy do największych, jakie kiedykolwiek zaobserwowano w tym okresie rozwoju Wszechświata. Jest tak masywna, że stanowi około 40% całej masy swojej galaktyki macierzystej — co stanowi wyraźny kontrast w stosunku do czarnych dziur we współczesnym wszechświecie, które zazwyczaj stanowią jedynie około 0,1% masy ich galaktyki.
Jednak pomimo swoich gigantycznych rozmiarów, ta czarna dziura zjada, czyli akreuje, gaz, którego potrzebuje, aby rosnąć w bardzo niskim tempie – około 100 razy poniżej teoretycznego maksymalnego limitu – czyniąc ją w zasadzie uśpioną.
Trudne modele wzrostu czarnych dziur
Taka zbyt masywna czarna dziura na tak wczesnym etapie Wszechświata, ale która nie rośnie, podważa istniejące modele rozwoju czarnych dziur. Naukowcy twierdzą jednak, że najbardziej prawdopodobny scenariusz jest taki, że czarne dziury przechodzą krótkie okresy ultraszybkiego wzrostu, po których następują długie okresy uśpienia. Ich wyniki opublikowano w czasopiśmie Natura 18 grudnia.
Kiedy czarne dziury „drzemią”, są znacznie mniej jasne, co utrudnia ich dostrzeżenie nawet za pomocą bardzo czułych teleskopów, takich jak Webb. Czarnych dziur nie można bezpośrednio obserwować, zamiast tego są one wykrywane poprzez charakterystyczny blask wirującego dysku akrecyjnego, który tworzy się w pobliżu krawędzi czarnej dziury. Gaz w dysku akrecyjnym staje się niezwykle gorący, zaczyna świecić i emitować energię w zakresie ultrafioletu.
„Mimo że ta czarna dziura jest uśpiona, jej ogromne rozmiary umożliwiły nam wykrycie” – powiedział główny autor Ignas Juodžbalis z Instytutu Kosmologii Kavli w Cambridge. „Jej stan uśpienia pozwolił nam poznać również masę galaktyki macierzystej. Wczesny wszechświat zdołał wyprodukować kilka absolutnych potworów, nawet w stosunkowo małych galaktykach.”
Urodzony duży czy rosnący w seriach?
Według standardowych modeli czarne dziury powstają z zapadniętych pozostałości martwych gwiazd i akrecji materii aż do przewidywanej granicy, zwanej granicą 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 powstają i rosną.
„Możliwe, że czarne dziury «rodzą się duże», co może wyjaśniać, dlaczego Webb dostrzegł ogromne czarne dziury we wczesnym wszechświecie” – powiedział współautor, profesor Roberto Maiolino z Instytutu Kavli i Laboratorium Cavendish w Cambridge. „Ale inną możliwością jest to, że przechodzą okresy nadpobudliwości, po których następują długie okresy uśpienia”.
Symulacja wzrostu potwora
Współpracując z kolegami z Włoch, badacze z Cambridge przeprowadzili szereg symulacji komputerowych, aby modelować, w jaki sposób ta uśpiona czarna dziura mogła urosnąć do tak ogromnych rozmiarów na tak wczesnym etapie Wszechświata. Odkryli, że najbardziej prawdopodobny scenariusz zakłada, że czarne dziury mogą przekroczyć granicę Eddingtona na krótkie okresy, podczas których rosną bardzo szybko, po których następują długie okresy bezczynności: naukowcy twierdzą, że czarne dziury takie jak ta prawdopodobnie pożerają od pięciu do dziesięciu milionów lat i śpią przez około 100 milionów lat.
„Brzmi sprzecznie z intuicją wyjaśnianie uśpionej czarnej dziury okresami nadpobudliwości, ale te krótkie wybuchy pozwalają jej szybko rosnąć, podczas gdy większość czasu spędza na drzemkach” – powiedział Maiolino.
Uśpiona większość
Ponieważ okresy uśpienia są znacznie dłuższe niż okresy ultraszybkiego wzrostu, to właśnie w tych okresach astronomowie z największym prawdopodobieństwem wykrywają czarne dziury. „To był pierwszy wynik, jaki uzyskałem w ramach doktoratu i zajęło mi trochę czasu, zanim doceniłem, jak niezwykły był” – powiedział Juodžbalis. „Dopiero kiedy zacząłem rozmawiać z kolegami na temat teoretycznej strony astronomii, mogłem dostrzec prawdziwe znaczenie tej czarnej dziury”.
Ze względu na swoją 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 państwo.
„Prawdopodobnie zdecydowana większość czarnych dziur znajduje się w stanie uśpienia. Jestem zaskoczony, że znaleźliśmy tę, ale jestem podekscytowany myślą, że możemy znaleźć o wiele więcej czarnych dziur” – powiedział Maiolino.
Odniesienie: „Uśpiona nadmasywna czarna dziura we wczesnym Wszechświecie” autorstwa Ignasa Juodžbalisa, Roberto Maiolino, Williama M. Bakera, Sandro Tacchelli, Jana Scholtza, Francesco D’Eugenio, Jorisa Witstoka, Raffaelli Schneider, Alessandro Trinca, Rosa Valiante, Christa DeCoursey , Mirko Curti, Stefano Carniani, Jacopo Chevallard, Anna de Graaff, Santiago Arribas, Jake S. Bennett, Martin A. Bourne, Andrew J. Bunker, Stéphane Charlot, Brian Jiang, Sophie Koudmani, Michele Perna, Brant Robertson, Debora Sijacki, Hannah Übler, Christina C. Williams i Chris Willott , 18 grudnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-08210-5
Obserwacje uzyskano w ramach JWST Zaawansowane głębokie badanie pozagalaktyczne (JADES). Badania były częściowo wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych oraz Radę ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych (STFC), stanowiącą część brytyjskiej organizacji ds. badań i innowacji (UKRI).
