Przejdź do treści

W jaki sposób supermasywne czarne dziury rosną tak szybko?

img

Czarne dziury we wczesnym Wszechświecie stanowią pewien problem. Na podstawie obserwacji z teleskopów na Ziemi i w kosmosie wiemy, że niektóre czarne dziury przybrały masę nawet miliarda mas Słońca w zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu. Nasze obecne modele wzrostu czarnych dziur nie są jednak w stanie wyjaśnić tej prędkości. Jak więc powstały te supermasywne czarne dziury?

Jest to problem, który od dawna nęka astronomów. Nasze obecne rozumienie sugeruje, że w tych ramach czasowych powinny być w stanie rosnąć tylko tak zwane czarne dziury o masie pośredniej do 100 000 razy większej niż masa Słońca. I choć zaproponowano kilka teorii dotyczących tego szybkiego wczesnego wzrostu czarnej dziury, odpowiedź pozostaje nieuchwytna.

Czarne dziury powstają, gdy masywna gwiazda wypali swoje paliwo, czasem jako rezultat supernowej, a innym razem bez supernowej, co nazywa bezpośrednim kolapsem. Gdy gwiazda nie ma już paliwa do spalenia, nie może dalej utrzymać swojej masy i zapada się. Jeżeli masa gwiazdy była wystarczająco duża, zapadnie się w obiekt o ogromnym przyciąganiu grawitacyjnym, z którego nic, nawet światło, nie będzie w stanie uciec – czarną dziurę.

W miarę jak czarna dziura stopniowo przyciąga coraz więcej pobliskich pyłów i gazów, może rosnąć, osiągając w końcu olbrzymie proporcje supermasywnej czarnej dziury, takiej jak pierwsza zobrazowana w 2019 r. Naukowcy badają, czy supermasywne czarne dziury mogły powstać z supermasywnych gwiazd, które zapadły się, tworząc duże „zalążki” czarnych dziur, dając im przewagę we wzroście.

Dr John Regan, astrofizyk z Dublin City University koordynował projekt o nazwie SmartStars, w którym wykorzystano jeden z najpotężniejszych superkomputerów w Irlandii., ICHEC, w celu modelowania, w jaki sposób nadolbrzymy mogą dostarczyć zalążki supermasywnych czarnych dziur. Zespół chciał sprawdzić, czy gwiazdy te mogą przyczynić się do szybkiego wzrostu supermasywnych czarnych dziur, które widzimy dzisiaj w centrum niemal każdej galaktyki.

Odkryli, że takie gwiazdy mogą wzrosnąć do 250 000 mas Słońca w ciągu 200 mln lat od Wielkiego Wybuchu – kuszący wynik. Jednak nawet superkomputery mają swoje ograniczenia. Naukowcom udało się modelować przyszłość takich gwiazd jedynie przez milion lat, a modelowanie musi obejmować 800 mln lat aby zobaczyć, czy te gwiazdy rzeczywiście mogą być ziarnami supermasywnych czarnych dziur.

Inne teorie dotyczące tego, w jaki sposób te czarne dziury rosły tak szybko, są takie, że niewielka część czarnych dziur rosła w niewiarygodnym tempie lub że mniejsze czarne dziury się ze sobą zlewały, by urosnąć do supermasywnej czarnej dziury.

Dr Muhammad Latif, astrofizyk z Uniwersytetu Zjednoczonych Emiratów Arabskich w Abu Zabi, zgadza się z dr Reganem, że model supermasywnej gwiazdy pozostaje w tej chwili naszą najlepszą teorią. Dr Latif był głównym badaczem projektu FIRSTBHs, który, podobnie jak SmartStars, badał wiarygodność modelu supermasywnych gwiazd, wykorzystując symulacje na superkomputerze we Francji.

Jego projekt, który został przeprowadzony w CNRS we Francji, wykazał, że supermasywne gwiazdy mogą wytwarzać zalążki czarnych dziur o masach setek tysięcy mas Słońca, co by znaczyło, że początkowe zalążki czarnych dziur są wystarczająco duże, by uwzględnić wzrost supermasywnych czarnych dziur o miliardy mas Słońca w tak krótkim czasie.

Wymaga to jednak, aby warunki we wczesnym Wszechświecie były odpowiednie, by mogły powstać te czarne dziury. Byłyby potrzebne duże ilości materii wodorowej i helowej do wytworzenia wystarczającej ilości nasion masywnych czarnych dziur, by wytworzyć supermasywne czarne dziury, co wydaje się możliwe. 

Ale inne niewyjaśnione czynniki oznaczają, że wciąż pytanie to pozostaje otwarte. Na przykład zalążki czarnych dziur musiałyby przybierać materię w tempie co najmniej 0,1 masy Słońca rocznie, a obecnie nie jest jasne, czy jest to możliwe.

Kilka obserwatoriów już umożliwia nam badanie czarnych dziur we Wszechświecie. W październiku 2019 roku astronomowie ogłosili, że użyli ALMA do odkrycia grubego pierścienia gazu i pyłu wokół supermasywnej czarnej dziury w odległej galaktyce. Uważa się, że gdy dwa strumienie obracają się w przeciwnych kierunkach, pierścień mógł zasilać supermasywną czarną dziurę wystarczającą ilością materii, aby spowodować jej szybki wzrost.

Wcześniej, w sierpniu 2019 r. Obserwatorium rentgenowskie Chandra zdołało dostrzec tzw. „zakamuflowaną” czarną dziurę rosnącą gwałtownie, gdy Wszechświat miał zaledwie 6% swojego obecnego wieku. Gęsty obłok gazu kryje czarną dziurę i powstały kwazar, jasny obszar przegrzanej materii, który ją otacza, ale Chandra była w stanie ją dostrzec, widząc promieniowanie X wyłaniające się z obłoku.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
How did supermassive black holes grow so fast?

Źródło: Horizons Magazine

Na zdjęciu: Obraz czarnej dziury w M87. Źródło: EHT