Przejdź do treści

Czarne dziury o masach pośrednich oknem na wczesny Kosmos?

Jak powstały supermasywne czarne dziury? W dwóch niezależnych badaniach odkryto garść czarnych dziur o tak zwanych masach pośrednich w galaktykach karłowatych. Ale to nie rozwiązuje zagadki.

Najcięższe z czarnych dziur są dość powszechne we Wszechświecie. Można je spotkać w zarówno bliskich, jak i w najdalszych galaktykach. Ale do dziś nie wiemy, dlaczego i jak powstają te tak zwane supermasywne czarne dziury, będące obiektami o masach od milionów do miliardów mas Słońca. Na dziś dzień dwa niezależnie prowadzone badania wykorzystujące obserwacje w zakresie rentgenowskim dają w tym przypadku dwie różne odpowiedzi.

Gdy Wszechświat liczył sobie mniej niż miliard lat, pewne galaktyki już wtedy zawierały supermasywne czarne dziury. Wiemy o tym z obserwacji świecącego, otaczającego je gazu. Ale nawet gdyby te czarne dziury żywiły się okoliczną materią pochłaniając je w naprawdę olbrzymim tempie, nie powinny móc one powstawać w typowy, zakładany dziś sposób - poprzez zapadanie się grawitacyjne największych gwiazd.

Istnieją dwa rozwiązania, które mogą to wyjaśniać. Pierwsza z koncepcji zakłada, że pierwotna generacja gwiazd, z których powstawały wczesne czarne dziury, była o wiele bardziej masywna niż gwiazdy powstające w późniejszych epokach kosmologicznych. Byłyby to więc gwiazdy o masach rzędu stu mas Słońca. Rodzące się z nich później czarne dziury miałyby odpowiednie większe masy i duże tempa wzrostu, dzięki czemu osiągnęłyby swój “supermasywny” rozmiar, zanim Wszechświat osiągnął wiek miliarda lat.

Alternatywne wyjaśnienie zakłada, że pierwsze czarne dziury powstały w wielkim obłoku gazu. Obłok ten bezpośrednio zapadł się w twór o masie rzędu tysiąca mas Słońca. Warto zauważyć, że ten scenariusz wymaga zaistnienia wyjątkowej sytuacji: gaz musiałby zapadać się razem, bez podziału na poszczególne gwiazdy.

Niestety, przy obecnych możliwościach w zakresie technik obserwacyjnych nie potrafimy przetestować żadnego z powyższych scenariuszy. Astronomowie próbują jednak rozwiązać ową zagadkę w inny, okrężny sposób. Zakładają, że jeżeli faktycznie supermasywne czarne dziury znajdujące się w wielkich galaktykach rozpoczynają swe życie jako czarne dziury o masie gwiazdowej, to mniejsze czarne dziury o masach pośrednich powinny być (przez analogię) powszechne w mniejszych galaktykach.

Natomiast konkurencyjne wyjaśnienie numer dwa (bezpośredni kolaps grawitacyjny obłoku) przewiduje, że takie pośrednie czarne dziury będą występować rzadko. Wydawać by się zatem mogło, że wystarczy zmierzyć i policzyć czarne dziury zawarte w galaktykach karłowatych, aby otrzymać odpowiedź. W praktyce nie jest to jednak aż tak proste.

Mar Mezcua z Instytutu Nauk Kosmicznych w Hiszpanii wraz ze swym zespołem analizował dane rentgenowskie z przeglądu Chandra COSMOS Legacy Survey, uwzględniając również obrazy rejestrowane świetle widzialnym i w podczerwieni. Naukowcy zdołali zidentyfikować 40 galaktyk karłowatych, w których znaleziono aktywnie pożywiające się okoliczną materią czarne dziury o masach od 10 000 do 100 000 mas Słońca. Wykorzystano je jako wskaźnik całkowitej liczby czarnych dziur w galaktykach karłowatych. Zdaniem autorów pracy opublikowanej w sierpniu w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society tak niewielka ilość tych obiektów przemawia raczej za prawdziwością modelu z bezpośrednim kolapsem grawitacyjnym obłoku materii (wyjaśnienie drugie).

Innym argumentem za tym właśnie scenariuszem jest to, że zgodnie z jego przewidywaniami to właśnie mniejsze galaktyki powinny rzadziej posiadać czarne dziury. Tak właśnie wynika z badań Mezcui. Należy jednak pamiętać, że ogólna liczba czarnych dziur pośrednich wyliczona przez zespół jest w rzeczywistości tylko dolnym limitem prawdziwej liczby tego typu obiektów. Może być też i tak, że ogromna liczba kolejnych czarnych dziur z tego zakresu mas, które nie ściągają na siebie dużych ilości materii i są przez to niewidoczne w promieniach rentgenowskich, wciąż jeszcze czeka na wykrycie w innych galaktykach karłowatych.

Dodatkowo  Igor Chilingarian (Smithsonian Astrophysical Observatory) wraz z zespołem przeszukał przeglądy nieba, kompletując ostatecznie próbkę kolejnych 305 kandydatów na czarne dziury o masach pośrednich. Natura 10 z tych obiektów została jak dotychczas potwierdzona kolejnymi obserwacjami. Chilingarian uważa, że samo istnienie czarnych dziur o takich masach faworyzuje scenariusz pierwszy (“gwiazdowy”), ponieważ scenariusz bezpośredniego kolapsu powinien prowadzić jedynie do powstawania czarnych dziur o masie ponad 100 000 mas Słońca. Ale Mezcua nie zgadza się z tym i argumentuje, że modele z bezpośrednim kolapsem są wystarczająco elastyczne, aby umożliwić także pojawienie sie obiektów o niższych masach.

Zagadka wciąż więc pozostaje nierozwiązana - i będzie taką, dopóki astronomowie nie znajdą sposobu na znalezienie uśpionych czarnych dziur rezydujących w galaktykach karłowatych.

Czytaj więcej:

 

Źródło: Sky & Telescope

Na zdjęciu: Kompozycja łącząca w sobie dane podczerwone i rentgenowskie w polu COSMOS Legacy Survey. Około 10% galaktyk karłowatych w tym polu - w sumie 40 - ma w swoich centrach średniej wielkości czarne dziury.
Źródło: X-ray: NASA/CXC/ICE/M.Mezcua et al.; Infrared: NASA/JPL-Caltech; Illustration: NASA/CXC/A.Hobart

Na zdjęciu powyżej: Koncepcja artystyczna - czarna dziura z gorącym gazem krążącym dookoła niej w dysku akrecyjnym. Linie pola magnetycznego odrzucają niewielką ilość tego materiału w formie wystrzeliwujących obustronnie w kosmos dżetów relatywistycznej plazmy. Obserwowane promieniowanie X może pochodzić z dysku lub z tych dżetów.
Źródło: NASA / JPL-Caltech