Badania sugerują, że zaledwie 30 procent galaktyk karłowatych zawiera w swoim centrum supermasywne czarne dziury. To podważa dotychczasowe założenia astronomii.
Odkrycie, które zmienia nasze rozumienie Wszechświata
Naukowcy z NASA dokonali przełomowego odkrycia, które kwestionuje powszechnie przyjęte w astronomii założenie: że prawie każda galaktyka posiada w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. Badania przeprowadzone za pomocą Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra wskazują, że rzeczywistość może być o wiele bardziej skomplikowana, zwłaszcza jeśli chodzi o małe galaktyki.
Międzynarodowy zespół astronomów przeanalizował dane zebrane z ponad szesnastu setek galaktyk przez ponad dwadzieścia lat działalności misji Chandra. Badania objęły galaktyki o rozmaitych masach – od tych większych niż Droga Mleczna po galaktyki karłowate, które zawierają zaledwie kilka procent masy naszej macierzystej Galaktyki. Wyniki tego monumentalnego przedsięwzięcia badawczego opublikowano w „The Astrophysical Journal”.
Kluczowe odkrycie jest zaskakujące: jedynie około trzydzieści procent galaktyk karłowatych posiada supermasywne czarne dziury. W kontraście, ponad dziewięćdziesiąt procent dużych galaktyk, w tym te porównywalne masą do Drogi Mlecznej, posiada takie obiekty w swoich jądrach. To rozróżnienie ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia ewolucji galaktyk we Wszechświecie.
Dokładne policzenie czarnych dziur w tych mniejszych galaktykach to nie tylko kwestia statystyki – wyjaśnił Fan Zou z Uniwersytetu Michigan w Ann Arbor, który kierował badaniami. Nasze odkrycia dostarczają wskazówek na temat tego, jak powstają supermasywne czarne dziury. Ponadto dają nam ważne informacje o tym, jak często będziemy spotykać sygnały pochodzące od czarnych dziur w galaktykach karłowatych podczas obserwacji nowymi czy przyszłymi teleskopami.
Jak naukowcy liczyli czarne dziury?
Metoda zastosowana przez badaczy była elegancka i oparta na istniejących obserwacjach. Materiał spadający do czarnej dziury zostaje rozgrzany przez tarcie i emituje promieniowanie rentgenowskie. Masywne galaktyki w badanej próbie wykazywały jasne źródła rentgenowskie w swoich jądrach – jednoznaczny dowód obecności supermasywnych czarnych dziur. Mniejsze galaktyki zwykle nie wykazywały jednak takich charakterystycznych sygnałów.
Galaktyki o masie mniejszej niż trzy miliardy mas Słońca – porównywalne masą do Wielkiego Obłoku Magellana, bliskiego sąsiada Drogi Mlecznej – zwykle nie posiadały jasnych źródeł rentgenowskich w swoich jądrach. Ta obserwacja stała się punktem wyjścia do dalszych badań.
Rzeczywiste niedobory czy problem techniczny?
Naukowcy rozważyli dwie możliwe przyczyny braku wyraźnych sygnałów rentgenowskich w małych galaktykach. Pierwsza hipoteza zakładała, że rzeczywiście mniej małych galaktyk zawiera czarne dziury w porównaniu do galaktyk masywnych. Druga sugerowała, że czarne dziury są tam obecne, ale emitują tak słabe promieniowanie rentgenowskie, że Obserwatorium Chandra nie jest w stanie je wykryć.
Po gruntownej analizie danych Elena Gallo, współautorka artykułu również z Uniwersytetu Michigan, potwierdziła pierwszą hipotezę: Na podstawie naszych analiz danych z Chandry wierzymy, że naprawdę jest mniej czarnych dziur w tych mniejszych galaktykach niż w ich większych odpowiednikach.
Kluczowe przesłanki
Mniejsze czarne dziury naturalnie przyciągają mniej materii niż większe, a zatem powinny być słabsze w emitowaniu promieniowania rentgenowskiego i często niemożliwe do wykrycia. Badacze potwierdzili te teoretyczne przewidywania. Odkryli jednak także dodatkowy deficyt źródeł rentgenowskich w galaktykach o niskiej masie – większy niż oczekiwano wyłącznie na podstawie zmniejszonego przepływu materii. Ten dodatkowy niedobór można wyjaśnić jedynie tym, że wiele galaktyk o niskiej masie po prostu nie posiada czarnych dziur w swoich jądrach. Zatem spadek detekcji rentgenowskich w galaktykach o mniejszej masie odzwierciedla rzeczywisty spadek liczby czarnych dziur w tych obiektach.
Implikacje dla teorii powstawania czarnych dziur
To odkrycie ma doniosłe konsekwencje dla naszego rozumienia pochodzenia supermasywnych czarnych dziur. Astronomowie rozważają dwie główne teorie. Pierwsza zakłada, że ogromna chmura gazu może się bezpośrednio zapaść w czarną dziurę o masie kilku tysięcy mas Słońca od początku swojego istnienia. Druga teoria sugeruje, że supermasywne czarne dziury powstają ze znacznie mniejszych czarnych dziur, które powstawały w wyniku zapadnięcia się masywnych gwiazd.
Anil Seth z Uniwersytetu Utah, jeden ze współautorów pracy, wskazuje: Powstawanie dużych czarnych dziur powinno być zjawiskiem rzadszym, preferencyjnie występującym w najbardziej masywnych galaktykach, co wyjaśniałoby, dlaczego nie znajdujemy czarnych dziur we wszystkich mniejszych galaktykach.
Wyniki wspierają teorię, że supermasywne czarne dziury rodzą się już z masą kilku tysięcy mas Słońca. Gdyby słuszna była alternatywna teoria, naukowcy oczekiwaliby, że mniejsze galaktyki miałyby podobny odsetek czarnych dziur co większe galaktyki. To się nie sprawdziło.
Przyszłe obserwacje i fale grawitacyjne
To odkrycie ma również znaczenie dla przewidywania częstotliwości zderzeń czarnych dziur powstających z kolizji galaktyk karłowatych. Znacznie mniejsza liczba czarnych dziur oznaczałaby mniej źródeł fal grawitacyjnych do wykrycia w przyszłości za pomocą Interferometru Laserowego Anteny Kosmicznej (LISA). Zmniejszy się również liczba czarnych dziur rozrywających gwiazdy w galaktykach karłowatych.
Obserwatorium Chandra, pracujące przez ponad dwie dekady, ponownie dostarczyło nam głęboki wgląd w działanie Wszechświata. Odkrycia te pokazują, że nawet najbliższe nam galaktyki mogą kryć wciąż niezgłębione tajemnice dotyczące swojej struktury i historii.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- NASA's Chandra Finds Small Galaxies May Buck the Black Hole Trend
- Central Massive Black Holes Are Not Ubiquitous in Local Low-mass Galaxies
Źródło: Chandra
Na ilustracji: Galaktyki NGC 6278 i PGC 039620, oznaczone. Źródło: rentgenowskie: NASA/CXC/SAO/F. Zou i in.; optyczne: SDSS; przetwarzanie obrazu: NASA/CXC/SAO/N. Wolk.
