Według naukowców wzorce zasilania się czarnych dziur dają spojrzenie na ich rozmiar. Nowe badania wykazały, że fluktuacje jasności obserwowane w aktywnie akreujących supermasywnych czarnych dziurach są związane z ich masą.
Supermasywne czarne dziury (SMBH) są miliony do miliardów razy masywniejsze od Słońca i zazwyczaj znajdują się w centrach masywnych galaktyk. Gdy są uśpione i nie żywią się otaczającym je gazem i gwiazdami, SMBH emitują bardzo mało światła. Jedynym sposobem, w jaki astronomowie mogą je wykryć, jest ich grawitacyjne oddziaływanie na gwiazdy i gaz w ich pobliżu. Naukowcy twierdzą, że we wczesnym Wszechświecie, kiedy SMBH szybko rosły, aktywnie zasilały się – lub akreowały – materią w intensywnym tempie i emitowały ogromne ilości promieniowania – czasami przyćmiewały całą galaktykę, w której rezydują.
Nowe badania, przeprowadzone przez studenta astronomii University of Illinois Urbana-Champaign, Colina Burke'a i profesora Yue Shen'a, ujawniły ostateczny związek pomiędzy masą aktywnie akreujących SMBH a charakterystyczną skalą czasu we wzorze fluktuacji światła. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Science.
Obserwowane światło z akrecji SMBH nie jest stałe. Ze względu na procesy fizyczne, które nie są jeszcze zrozumiałe, wykazuje ono wszechobecne fluktuacje w przedziałach czasowych od godzin do dziesięcioleci. Było wiele badań, które studiowały możliwe związki obserwowanych fluktuacji z masą SMBH, ale wyniki nie były jednoznaczne, a czasami kontrowersyjne – powiedział Burke.
Zespół skompilował duży zbiór danych aktywnie akreujących SMBH, aby zbadać zmienność wzoru fluktuacji. Zidentyfikowali charakterystyczną skalę czasową, w której wzór ten się zmienia, która ściśle koreluje z masą SMBH. Następnie badacze porównali wyniki z akreującymi białymi karłami, pozostałościami po gwiazdach takich jak Słońce, i stwierdzili, że ta sama zależność czas-masa obowiązuje, mimo że białe karły są miliony do miliardów razy mniej masywne niż SMBH.
Naukowcy twierdzą, że migotanie blasku jest fluktuacją w procesie karmienia czarnej dziury. Astronomowie mogą oszacować ten wzór migotania blasku mierząc siłę zmienności w funkcji czasu. W przypadku akrecji SMBH, wzorzec zmienności następuje w charakterystycznej skali czasowej, która jest dłuższa dla masywniejszych czarnych dziur.
Wyniki te sugerują, że procesy napędzające fluktuacje jasności podczas akrecji są uniwersalne, niezależnie od tego, czy centralnym obiektem jest supermasywna czarna dziura czy znacznie lżejszy biały karzeł – powiedział Shen.
Stanowcze ustalenie związku pomiędzy obserwowanymi fluktuacjami jasności a fundamentalnymi właściwościami akrecji z pewnością pomoże nam lepiej zrozumieć procesy akrecji – powiedział Yan-Fei Jiang, naukowcy z Flatiron Institute i współautor badania.
Astrofizyczne czarne dziury występują w szerokim spektrum masy i rozmiarów. Pomiędzy populacją czarnych dziur o masie gwiazdowej, które ważą mniej niż kilkadziesiąt mas Słońca, a SMBH znajduje się populacja czarnych dziur zwanych czarnymi dziurami o masie pośredniej (IMBH), które ważą od około 100 do 100 000 razy więcej niż Słońce.
Okazuje się, że IMBH powstają w dużych ilościach w historii Wszechświata i mogą one dostarczać nasion niezbędnych do późniejszego przekształcenia się w SMBH. Jednakże, obserwacyjnie ta populacja IMBH jest zaskakująco nieuchwytna. Istnieje tylko jedna bezspornie potwierdzona IMBH, której masa jest ok. 150 razy większa od masy Słońca. Jednak czarna dziura o masie pośredniej została przypadkowo odkryta dzięki promieniowaniu fal grawitacyjnych pochodzących z połączenia się dwóch mniejszych czarnych dziur.
Astronomowie na całym świecie czekają na oficjalne rozpoczęcie ery masowych przeglądów monitorujących dynamiczne i zmienne niebo. Obserwatorium Very C. Rubin w Chile w ramach projektu Legacy Survey of Space and Time będzie badać całe niebo przez dekadę i zbierać dane o fluktuacjach jasności dla miliardów obiektów, począwszy od końca 2023 roku.
Wydobywanie danych z LSST w celu poszukiwania fluktuujących wzorów, które są zgodne z akrecyjnymi IMBH ma potencjał, aby odkryć i w pełni zrozumieć tę długo poszukiwaną tajemniczą populację czarnych dziur – powiedział współautor artykułu Xin Liu, profesor astronomii na University of Illinois.
Więcej informacji:
- Black hole size revealed by its eating pattern
- A characteristic optical variability time scale in astrophysical accretion disks
Źródło: University of Illinois
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna dysku akrecyjnego obracającego się wokół niewidocznej supermasywnej czarnej dziury. Źródło: Grafika dzięki uprzejmości Mark A. Garlick/Simons Foundation.
