Znajdując czarne dziury o masach pośrednich

Naukowcy podjęli ważne kroki w celu znalezienia czarnych dziur, które nie są ani bardzo małe ani ekstremalnie duże. Znalezienie tych niezwykłych czarnych dziur o masie pośredniej może pomóc astronomom lepiej zrozumieć, czym są „nasionka” największych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie.

Czarne dziury, które mają masy od stu do kilkuset tysięcy Słońc nazywane są „czarnymi dziurami o masach pośrednich” (IMBH – intermediate mass). Ich masa mieści się pomiędzy dobrze udokumentowanymi i często badanymi czarnymi dziurami o masach gwiazdowych oraz supermasywnymi czarnymi dziurami, które znajdują się w centralnych regionach masywnych galaktyk.

Chociaż w ostatnich latach odnotowano kilka możliwych IMBH, astronomowie wciąż próbują ustalić, jak powszechne są i czego uczą nas ich właściwości na temat powstawania pierwszych supermasywnych czarnych dziur.

Jeden zespół naukowców wykorzystał duży przegląd Chandra COSMOS-Legacy (Cosmic Evolution Survey), aby zbadać galaktyki karłowate, które mają mniej niż 1% masy gwiazd Drogi Mlecznej. Scharakteryzowanie tych galaktyk było możliwe dzięki bogatemu zbiorowi danych dostępnych dla pola COSMOS na różnych długościach fal. 

Dane z Chandra były kluczowe dla tego wyszukiwania, ponieważ jasne, punktowe źródło emisji promieniowania rentgenowskiego w pobliżu centrum galaktyki jest wyraźnym znakiem obecności czarnej dziury. Promienie X są wytwarzane przez gaz podgrzany do milionów stopni dzięki ogromnym siłom grawitacyjnym i magnetycznym w pobliżu czarnej dziury.

Zespół zidentyfikował 40 rosnących czarnych dziur w galaktykach karłowatych. Dwanaście z nich znajduje się na dużych odległościach, ponad 5 mld lat świetlnych od Ziemi, a najodleglejsza – 10,9 mld lat świetlnych stąd. Jest to najodleglejsza rosnąca czarna dziura w galaktyce karłowatej, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Natomiast jedna z galaktyk karłowatych jest najmniej masywną znaną galaktyką, która ma w sobie rosnącą czarną dziurę.  

Większość z tych źródeł to prawdopodobnie IMBH o masach od dziesięciu tysięcy do stu tysięcy razy większych, niż Słońce. Jednym z kluczowych rezultatów tych badań jest fakt, że ułamek galaktyk zawierających rosnące czarne dziury jest mniejsza dla mniej masywnych galaktyk niż dla ich masywniejszych odpowiedników. 

Drugi zespół, kierowany przez Igor Chilingarian z CFA, znalazł oddzielną, ważną próbkę możliwych IMBH w galaktykach, które są nam bliższe. W ich próbce najdalszy kandydat na IMBH znajduje się w odległości 2,8 mld lat świetlnych od Ziemi, a około 90% kandydatów, które znaleźli, znajduje się w odległości nie większej, niż 1,3 mld lat świetlnych stąd. 

Dzięki danym ze Sloan Digital Sky Survey (SDSS), znaleźli galaktyki z sygnaturą świetlną rosnących czarnych dziur, a następnie oszacowali ich masy. Wybrali 305 galaktyk z właściwościami, które sugerowały, że czarna dziura o masie mniejszej, niż 300 000 mas Słońca czaiła się w centralnych regionach każdej z tych galaktyk.

Tylko 18 członków z tej listy miało wysokiej jakości obserwacje rentgenowskie, które pozwoliłyby potwierdzić, że źródłem są czarne dziury. Detekcje z Chandra i XMM-Newton uzyskano dla dziesięciu źródeł, pokazując, że około połowa z 305 kandydatów na IMBH może wyraźnie nimi być. Masy dla dziesięciu źródeł wykrytych za pomocą obserwacji promieni X określono pomiędzy 40 000 a 300 000 mas Słońca.

IMBH mogą wyjaśnić, w jaki sposób supermasywne czarne dziury mogły powstać tak szybko po Wielkim Wybuchu. Jedno z wiodących wyjaśnień jest takie, że supermasywne czarne dziury rosną w miarę upływu czasu od najmniejszych, zawierających około 100 mas Słońca. Niektóre z nich powinny się połączyć, aby utworzyć IMBH. inne wyjaśnienie jest takie, że powstają bardzo szybko po rozpadzie olbrzymiego obłoku gazu o masie równej setkom tysięcy mas Słońca. 

Inna możliwość jest taka, że obydwa mechanizmy faktycznie występują. Obydwa zespoły zgadzają się, że aby wyciągnąć ostateczne wnioski, potrzebna jest znacznie większa próbka czarnych dziur, która będzie możliwa do uzyskania dzięki przyszłym misjom kosmicznym.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej: 
Finding the Happy Medium of Black Holes

Źródło: Chandra