Astronomowie korzystając z teleskopów NASA, dokonali odkrycia najbardziej odległej czarnej dziury, która jest obserwowana w zakresie rentgenowskim. Czarna dziura znajduje się na wczesnym etapie wzrostu, który dotychczas nie został zaobserwowany, a jej masa jest podobna do masy jej galaktyki macierzystej.
Wynik ten może wyjaśnić, w jaki sposób powstały niektóre z pierwszych supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie. Dzięki połączeniu danych z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra i Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, zespół badaczy był w stanie znaleźć charakterystyczną sygnaturę rosnącej czarnej dziury istniejącej zaledwie 470 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Potrzebowaliśmy Webba, aby znaleźć tę niezwykle odległą galaktykę i teleskopu Chandra, aby znaleźć jej supermasywną czarną dziurę – powiedział Akos Bogdan z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian (CfA), główny autor artykułu opublikowanego w czasopiśmie Nature Astronomy, który opisuje te wyniki. Wykorzystaliśmy również kosmiczne szkło powiększające, które zwiększyło ilość wykrytego światła. Ten efekt powiększenia znany jest jako soczewkowanie grawitacyjne.
Bogdan wraz ze swoim zespołem odkryli czarną dziurę w galaktyce o nazwie UHZ1, która widoczna jest w kierunku na gromadę galaktyk Abell 2744, oddaloną od Ziemi o 3,5 miliarda lat świetlnych. Jednak dane zebranych przez Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba ujawniły jeszcze bardziej fascynującą informację – galaktyka ta znajduje się w rzeczywistości znacznie dalej niż gromada, dokładnie 13,2 miliarda lat świetlnych od Ziemi. To oznacza, że obserwowana galaktyka istniała, gdy Wszechświat miał zaledwie 3% swojego obecnego wieku, a jej przesunięcie ku czerwieni wynosi z=10,1.
Następnie, po ponad dwutygodniowych obserwacjach za pomocą Chandra, udało się potwierdzić obecność intensywnego, przegrzanego dysku emitującego promieniowanie rentgenowskie w tej galaktyce – charakterystycznego znaku rosnącej supermasywnej czarnej dziury. Dzięki soczewkowaniu grawitacyjnemu światło pochodzące z galaktyki oraz promieniowanie rentgenowskie emitowane przez gaz wokół jej supermasywnej czarnej dziury zostały powiększone około czterokrotnie przez masę gromady Abell 2744. To zjawisko znacznie wzmocniło sygnał podczerwony wykryty przez Webba i umożliwiło obserwatorium Chandra wykrycie słabego źródła promieniowania rentgenowskiego.
Odkrycie to ma ogromne znaczenie dla naszego zrozumienia procesu, w jaki niektóre supermasywne czarne dziury uzyskują ogromne masy w krótkim czasie po Wielkim Wybuchu. Czy te czarne dziury powstają bezpośrednio poprzez zapadanie się masywnych obłoków gazu, tworzące obiekty o masie od około 10 000 do 100 000 razy większej niż masa Słońca? Czy może powstają w wyniku eksplozji pierwszych gwiazd, które utworzyły czarne dziury o masie od 10 do 100 razy większej niż masa Słońca?
Istnieją fizyczne ograniczenia dotyczące tempa wzrostu czarnych dziur po ich powstaniu, jednak te, które formują się jako bardziej masywne, mają przewagę. Można to porównać do sadzenia drzewka, które potrzebuje mniej czasu, aby wyrosnąć na pełnowymiarowe drzewo, niż gdybyśmy zaczęli od nasiona – powiedział Andy Goulding z Uniwersytetu Princeton. Goulding jest współautorem artykułu opublikowanego w Nature Astronomy oraz głównym autorem nowego artykułu w The Astrophysical Journal Letters, który przedstawia odległość i masę galaktyki, wykorzystując widma uzyskane za pomocą Webba.
Zespół Bogdana znalazł mocne dowody na to, że nowo odkryta czarna dziura urodziła się już jako masywna. Na podstawie jasności i energii promieniowania rentgenowskiego, szacuje się jej masę na 10-100 milionów razy większą od masy Słońca. Ta masa leży w zakresie podobnym do masy wszystkich gwiazd w galaktyce, w której ta czarna dziura się znajduje. Stanowi to wyraźny kontrast w porównaniu do czarnych dziur obecnych w jądrach galaktyk w naszym pobliskim Wszechświecie, które zwykle mają tylko około jednego promila masy gwiazd swojej macierzystej galaktyki.
Duża masa czarnej dziury w młodym wieku, ilość generowanego przez nią promieniowania rentgenowskiego oraz jasność galaktyki wykryte przez Webba – wszystko to razem potwierdza teoretyczne przewidywania współautora badań Priyamvadę Natarajan z Uniwersytetu Yale z 2017 roku. Przewidywania te dotyczyły „olbrzymiej czarnej dziury”, która powstała w wyniku kolapsu ogromnego obłoku gazu.
Naszym zdaniem to pierwsze potwierdzenie istnienia „olbrzymiej czarnej dziury” oraz najbardziej przekonujący do tej pory dowód na to, że niektóre czarne dziury powstają z masywnych obłoków gazu – oświadczył Natarajan. Po raz pierwszy obserwujemy krótki okres, w którym supermasywna czarna dziura ma masę zbliżoną do masy gwiazd w swojej galaktyce.
Naukowcy planują wykorzystać te i inne wyniki pochodzące z Teleskopu Webba oraz inne uzupełniające dane z innych teleskopów, aby uzyskać szerszy obraz wczesnego Wszechświata.
Więcej informacji:
- NASA Telescopes Discover Record-Breaking Black Hole
- Evidence for heavy seed origin of early supermassive black holes from a z~10 X-ray quasar
- UNCOVER: The Growth of the First Massive Black Holes from JWST/NIRSpec—Spectroscopic Redshift Confirmation of an X-Ray Luminous AGN at z = 10.1
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Źródło: Chandra
Na ilustracji: Najdalsza czarna dziura, jaką kiedykolwiek wykryto w promieniach rentgenowskich. Źródło: Promieniowanie X: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; Podczerwień: NASA/ESA/CSA/STScI; Przetwarzanie obrazu: NASA/CXC/SAO/L. Frattare & K. Arcand
