Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), astronomowie odkryli w „kosmicznym świcie” supermasywną czarną dziurę, która wydaje się niemożliwie masywna. Zamieszanie wynika z faktu, że wydaje się, że ta gigantyczna pustka nie żerowała w tym czasie zbyt wiele otaczającej materii, jednak aby osiągnąć swoje ogromne rozmiary, można by się spodziewać, że na początku czasu była drapieżnikiem.
Supermasywną czarną dziurę zasilającą kwazar zaobserwowano w sercu galaktyki J1120+0641, gdy Wszechświat miał zaledwie około 5% swojego obecnego wieku. Jego masa jest również miliard razy większa od masy Słońca.
Chociaż stosunkowo łatwo jest wyjaśnić, jak supermasywne, a zatem najmłodsze, czarne dziury zbliżają się do mas miliardów mas Słońca, oczekuje się, że procesy łączenia i zasilania, które ułatwiają ten wzrost, zajmą około miliard lat. Oznacza to, że znalezienie takich supermasywnych czarnych dziur, które istniały zanim Wszechświat miał 13,8 miliarda lat, jest prawdziwym dylematem.
Od chwili rozpoczęcia swojej działalności latem 2022 roku Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba okazał się szczególnie skuteczny w wykrywaniu takich trudnych czarnych dziur o kosmicznym świcie.
Jedna z teorii dotyczących wczesnego wzrostu tych pustych przestrzeni głosi, że wpadały one w szał żerowania zwany „ultrawydajnym trybem karmienia”. Jednakże obserwacje supermasywnej czarnej dziury w J1120+0641 za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba nie wykazały żadnego szczególnie skutecznego mechanizmu zasilania pobliskiej materii. Odkrycie poddaje w wątpliwość mechanizm wzrostu supermasywnej, superszybko napędzającej się czarnej dziury i oznacza, że naukowcy mogą wiedzieć mniej, niż im się wydawało, o wczesnej ewolucji Wszechświata.
Powiązany: W jaki sposób supermasywne czarne dziury stały się tak duże tak szybko zaraz po Wielkim Wybuchu?
„Ogółem nowe obserwacje zwiększają zagadkę: wczesne kwazary były szokująco normalne” – powiedziała Sarah Bosman, kierownik zespołu i badacz ze stopniem doktora w Instytucie Astronomii Maxa Plancka. – stwierdził w oświadczeniu. „Bez względu na długość fali, którą obserwujemy, kwazary są prawie identyczne we wszystkich epokach wszechświata”.
Supermasywne czarne dziury kontrolują swoją dietę
W ciągu ostatnich 13,8 miliardów lat historii kosmosu galaktyki powiększały się, zyskując masę poprzez pochłanianie otaczającego gazu i pyłu, rozbijanie mniejszych galaktyk lub łączenie się z większymi galaktykami.
Około 20 lat temu, zanim Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i inne teleskopy zaczęły znajdować niepokojąco duże supermasywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie, astronomowie postawili hipotezę, że supermasywne czarne dziury w jądrach galaktyk stopniowo rosły w synchronizacji z procesami, które doprowadziły do wzrostu galaktyki.
W rzeczywistości istnieją ograniczenia dotyczące szybkości wzrostu czarnej dziury, ograniczenia, które pomagają tym kosmicznym gigantom pozycjonować się.
Ze względu na zasadę zachowania momentu pędu materia nie może wpaść bezpośrednio do czarnej dziury. Zamiast tego wokół czarnej dziury tworzy się płaska chmura materii zwana dyskiem akrecyjnym. Co więcej, ogromna grawitacja centralnej czarnej dziury powoduje powstawanie silnych sił pływowych, które tworzą turbulentne warunki w dysku akrecyjnym, podgrzewając go i powodując, że emituje światło w całym spektrum elektromagnetycznym. Emisje te są tak jasne, że często przyćmiewają połączone światło wszystkich gwiazd w otaczającej galaktyce. Obszary, w których to wszystko się dzieje, nazywane są kwazarami i reprezentują jedne z najjaśniejszych obiektów niebieskich.
Ta jasność ma także inną funkcję. Mimo że nie ma masy, światło wywiera nacisk. Oznacza to, że światło kwazarów wywiera nacisk na otaczającą materię. Im szybciej czarna dziura zasila kwazar, tym większe jest ciśnienie promieniowania i tym większe jest prawdopodobieństwo, że czarna dziura odetnie dopływ pożywienia i przestanie rosnąć. Punkt, w którym czarne dziury lub jakikolwiek inny akumulator głodzi się, wypychając otaczającą je materię, nazywany jest granicą Eddingtona.
Oznacza to, że supermasywne czarne dziury nie mogą odżywiać się i rosnąć tak szybko, jak by tego chciały. Zatem znalezienie supermasywnych czarnych dziur o masie odpowiadającej 10 miliardom Słońc we wczesnym Wszechświecie, zwłaszcza niecałe miliard lat po Wielkim Wybuchu, stanowi prawdziwy problem.
Astronomowie muszą dowiedzieć się więcej o wczesnych kwazarach, aby ustalić, czy wczesne supermasywne czarne dziury były w stanie pokonać granicę Eddingtona i stać się tak zwanymi „superkompleksami Eddingtona”.
Aby to zrobić, w styczniu 2023 roku zespół skupił instrument średniej podczerwieni (MIRI) JWST na kwazarze w sercu J1120+0641, który leży 13 miliardów lat świetlnych od nas i jak się okazuje, minął zaledwie 770 milionów lat od wydarzenie. Eksplozja. Badania te stanowią pierwsze badanie w średniej podczerwieni kwazara, który istniał u zarania kosmicznego świtu.
Widmo światła emanującego z tej supermasywnej czarnej dziury ujawniło cechy dużego, okrągłego „torusa” gazu i pyłu otaczającego dysk akrecyjny. Torus pomaga skierować materię do dysku akrecyjnego, skąd stopniowo wprowadzana jest do supermasywnej czarnej dziury.
Obserwacje MIRI tego kwazara wykazały, że kosmiczny łańcuch dostaw działa podobnie do „nowoczesnych” kwazarów znajdujących się bliżej Ziemi, które zatem istniały w późniejszych epokach wszechświata. To zła wiadomość dla zwolenników teorii, że wzmocniony mechanizm zasilania doprowadził do szybkiego wzrostu wczesnych czarnych dziur.
Ponadto pomiary obszaru wokół supermasywnej czarnej dziury, gdzie materia wiruje z prędkością bliską prędkości światła, są zgodne z obserwacjami tych samych obszarów dla współczesnych kwazarów.
Obserwacje tego kwazara za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ujawniły kluczową różnicę między nim a jego współczesnymi odpowiednikami. Temperatura pyłu w torusie wokół dysku akrecyjnego wynosiła około 1130 stopni Celsjusza, czyli około 100 stopni więcej niż pierścienie pyłu wokół supermasywnych kwazarów zasilanych przez czarne dziury, które można zobaczyć w pobliżu Ziemi.
Badania opowiadają się za innym sposobem wzrostu wczesnych supermasywnych czarnych dziur, sugerując, że te kosmiczne giganty miały przewagę we wczesnym wszechświecie, gdzie powstały z „nasion” czarnych dziur, które były już masywne. Te ciężkie nasiona miałyby masę co najmniej sto tysięcy razy większą. Słońce powstałe bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się masywnych wczesnych obłoków gazu.
Wyniki badań zespołu opublikowano 17 czerwca w czasopiśmie Nature Astronomy.
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
