Naukowcy korzystający z teleskopów XMM-Newton i Chandra powiązali emisję promieniowania rentgenowskiego z 21 odległych kwazarów z szybkimi supermasywnymi czarna dziura wzrostu we wczesnym Wszechświecie, rzucając wyzwanie konwencjonalnej fizyce dzięki odkryciom szybkości akrecji super-Eddingtona.
Niedawne badanie opublikowane w Astronomia i astrofizyka rzuca światło na to, jak supermasywne czarne dziury o masie miliardów mas Słońca zdołały uformować się tak szybko – w ciągu niecałego miliarda lat po Wielki Wybuch.
W badaniu przeprowadzonym przez naukowców z Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF) przeanalizowano 21 najodleglejszych kwazarów, jakie kiedykolwiek odkryto. Kwazary te obserwowano w zakresie fal rentgenowskich za pomocą teleskopów kosmicznych XMM-Newton i Chandra
Odkrycia sugerują, że supermasywne czarne dziury w centrach tych kwazarów, powstałe podczas „kosmicznego świtu” Wszechświata, prawdopodobnie rosły w wyniku niezwykle szybkiej i intensywnej akrecji, co stanowi przekonujące wyjaśnienie ich ogromnych mas we wczesnym Wszechświecie.
Kwazary to bardzo jasne, aktywne galaktyki, zasilane przez supermasywne czarne dziury w swoich centrach – znane również jako aktywne jądra galaktyczne. Te czarne dziury emitują ogromne ilości energii, wciągając materię, dzięki czemu kwazary są jednymi z najjaśniejszych i najbardziej odległych obiektów we Wszechświecie. Kwazary badane w ramach tych badań pochodzą z okresu, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat, co plasuje je wśród najwcześniejszych zaobserwowanych struktur kosmicznych.
Obserwacje rentgenowskie i akrecja czarnych dziur
W tej pracy analiza emisji promieniowania rentgenowskiego z tych obiektów ujawniła całkowicie nieoczekiwane zachowanie supermasywnych czarnych dziur w ich centrach: pojawiło się powiązanie pomiędzy kształtem emisji promieniowania rentgenowskiego a prędkością wiatrów materii wyrzucanych przez kwazary. Zależność ta łączy prędkość wiatru, która może sięgać tysięcy kilometrów na sekundę, z temperaturą gazu w koronie – obszarze, który emituje promieniowanie rentgenowskie najbliżej czarnej dziury. W ten sposób korona okazała się powiązana z potężnymi mechanizmami akrecyjnymi samej czarnej dziury.
Kwazary charakteryzujące się niskoenergetyczną emisją promieniowania rentgenowskiego, a co za tym idzie niższą temperaturą w koronie, wykazują szybsze wiatry. Wskazuje to na bardzo szybką fazę wzrostu, która przekracza fizyczną granicę akrecji materii zwaną tzw Granica Eddingtonadlatego faza ta nazywana jest „super-Eddingtonem”. I odwrotnie, kwazary emitujące promieniowanie rentgenowskie o wyższej energii zwykle charakteryzują się wolniejszymi wiatrami.
„Nasza praca sugeruje, że supermasywne czarne dziury w centrach pierwszych kwazarów powstałych w ciągu pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata mogły w rzeczywistości bardzo szybko zwiększać swoją masę, kwestionując ograniczenia fizyki” – mówi Alessia Tortosa, główna autorka badania studia i badacz w INAF w Rzymie. „Odkrycie związku między emisją promieni rentgenowskich a wiatrem ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób tak duże czarne dziury mogły powstać w tak krótkim czasie, dostarczając w ten sposób konkretnej wskazówki do rozwiązania jednej z największych tajemnic współczesnej astrofizyki”.
Projekt HYPERION i kampanie obserwacyjne
Wynik uzyskano głównie dzięki analizie danych zebranych za pomocą teleskopu kosmicznego XMM-Newton Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), co pozwoliło na około 700 godzin obserwacji kwazarów. Większość danych zebranych w latach 2021-2023 w ramach Wieloletniego Programu Dziedzictwa XMM-Newton, pod kierunkiem Luca Zappacosta, badacza w INAF w Rzymie, stanowi część projektu HYPERION, którego celem jest badanie hiperświetlnych kwazarów podczas kosmicznego świtu Wszechświata. Szeroko zakrojona kampania obserwacyjna była prowadzona przez zespół włoskich naukowców i otrzymała kluczowe wsparcie od INAF, który sfinansował program, wspierając w ten sposób najnowocześniejsze badania nad ewolucyjną dynamiką wczesnych struktur Wszechświata.
„W programie HYPERION skupiliśmy się na dwóch kluczowych czynnikach: z jednej strony na starannym doborze kwazarów do obserwacji, wyborze tytanów, czyli tych, które zgromadziły jak największą masę, a z drugiej strony na głębokie badanie ich właściwości w promieniowaniu rentgenowskim, czego nigdy wcześniej nie próbowano przeprowadzić na tak dużej liczbie obiektów z kosmicznego świtu” – mówi Luca Zappacosta, badacz z INAF w Rzymie. Trafiliśmy w dziesiątkę! Wyniki, które otrzymujemy, są naprawdę nieoczekiwane i wszystkie wskazują na mechanizm wzrostu czarnych dziur super-Eddingtona.”
Przyszłe implikacje dla astronomii rentgenowskiej
Badanie to dostarcza ważnych informacji dla przyszłych misji rentgenowskich, takich jak ATHENA (ESA), AXIS i Lynx (NASA), których wystrzelenie zaplanowano na lata 2030–2040. W rzeczywistości uzyskane wyniki będą przydatne do udoskonalenia instrumentów obserwacyjnych nowej generacji oraz do zdefiniowania lepszych strategii badania czarnych dziur i aktywnych jąder galaktycznych w promieniach rentgenowskich w bardziej odległych obiektach kosmicznych. epoki. Są to elementy kluczowe dla zrozumienia powstawania pierwszych struktur galaktycznych w pierwotnym Wszechświecie.
Odniesienie: „HYPERION. Rzucanie światła na pierwsze świecące kwazary: korelacja między wiatrami dyskowymi UV a kontinuum promieniowania rentgenowskiego” A. Tortosa, L. Zappacosta, E. Piconcelli, M. Bischetti, C. Done, G. Miniutti, I. Saccheo, G Vietri, A. Bongiorno, M. Brusa, S. Carniani, IV Chilingarian, F. Civano, S. Cristiani, V. D’Odorico, M. Elvis, X. Fan, C. Feruglio, F. Fiore, S. Gallerani, E. Giallongo, R. Gilli, A. Grazian, M. Guainazzi, F. Haardt, A. Luminari, R. Maiolino, N. Menci, F. Nicastro, PO Petrucci, S. Puccetti, F. Salvestrini, R. Schneider, V. Testa, F. Tombesi, R. Tripodi, R. Valiante, L. Vallini, E. Vanzella, A. Vasylenko, C. Vignali, F. Vito, M. Volonteri i F. La Franca, 20 listopada 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202449662
