Nowa analiza danych rentgenowskich pokazuje, że supermasywne czarne dziury dziś rosną znacznie wolniej, bo we Wszechświecie brakuje im paliwa.
Dlaczego supermasywne czarne dziury hamują swój wzrost – nowe wyniki z Chandry
Astronomowie wreszcie doprecyzowali odpowiedź na ważne pytanie: dlaczego dziś supermasywne czarne dziury rosną dużo wolniej niż około 10 miliardów lat temu. Badania z użyciem obserwatorium rentgenowskiego Chandra i innych teleskopów rentgenowskich pokazują, że głównym powodem jest spadek tempa pożerania materii, a nie zanik samych czarnych dziur.
Kosmiczni giganci zwalniają tempo
Supermasywne czarne dziury to obiekty o masach od milionów do miliardów mas Słońca, osadzone w centrach większości galaktyk, także Drogi Mlecznej. Gdy aktywnie akreują gaz, stają się jądrami aktywnych galaktyk (active galactic nuclei, czyli AGN), silnie świecącymi w wielu zakresach promieniowania, zwłaszcza w promieniach X.
Z wcześniejszych badań wiemy, że ich wzrost osiągnął maksimum podczas tzw. kosmicznego południa – około 10 miliardów lat temu – a od tego czasu tempo akrecji spadło nawet o rząd wielkości. Nowa praca pokazuje, że dzisiejsze supermasywne czarne dziury o podobnych masach akreują średnio znacznie wolniej niż ich dawne odpowiedniki.
Jak mierzy się wzrost czarnych dziur
Wzrost czarnej dziury opisuje się m.in. tzw. współczynnikiem Eddingtona – stosunkiem rzeczywistej jasności obiektu do maksymalnej jasności, przy której ciśnienie promieniowania nie wyrzuca materii na zewnątrz. Im wyższy ten współczynnik, tym intensywniej czarna dziura pochłania gaz.
Poprzednie prace tego zespołu, oparte na dużych próbach galaktyk i aktywnych jąder galaktycznych, pokazały, że średni współczynnik Eddingtona silnie maleje od z~2 (kosmiczne południe) do z~0, czyli do naszych czasów. Nie było jednak jasne, czy odpowiada za to głównie spadek apetytu pojedynczych czarnych dziur, czy raczej przesunięcie aktywności ku lżejszym obiektom, czy wreszcie zmniejszenie udziału galaktyk z aktywnym jądrem w całej populacji.
1,3 miliona galaktyk i 8000 AGN
Zespół Zhibo Yu z Penn State University w Pensylwanii połączył dane z dziewięciu dobrze zbadanych pól nieba, stosując strategię wedding cake – zestaw przeglądów o różnej głębokości i powierzchni. Informacje o emisji rentgenowskiej pochodziły z trzech misji: NASA Chandra X-ray Observatory, europejskiego XMM‑Newtona oraz przeglądowego teleskopu eROSITA. Łącznie przeanalizowano około 1,3 miliona galaktyk oraz około ośmiu tysięcy galaktyk aktywnych z wyraźną emisją rentgenowską, która śledzi proces akrecji na supermasywne czarne dziury. Głębokie, ale wąskie pola Chandry pozwoliły uchwycić słabe i odległe AGN, natomiast XMM‑Newton i eROSITA zapewniły szerokie, choć płytsze przeglądy nieba.
Do odtworzenia średniego tempa akrecji w funkcji masy gwiazdowej galaktyk i przesunięcia ku czerwieni wykorzystano rozwiniętą wcześniej metodę Bayesowską, łączącą jasności rentgenowskie z oszacowaniami mas czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych. Dzięki temu można było przetestować różne scenariusze wyjaśniające obserwowane spowolnienie wzrostu.
Co naprawdę spowalnia czarne dziury
Badacze rozważyli trzy główne scenariusze:
- spadek efektywności akrecji (czarne dziury pochłaniają ten sam gaz wolniej),
- przewagę statystycznie mniejszych mas czarnych dziur,
- mniejszy odsetek galaktyk z aktywnym jądrem.
Po uwzględnieniu zależności między jasnością rentgenowską, masą czarnej dziury i własnościami galaktyk okazało się, że dominującym czynnikiem jest pierwszy scenariusz – przeciętne tempo akrecji wyraźnie maleje z wiekiem Wszechświata. Współczynnik Eddingtona typowego AGN od kosmicznego południa do dziś spadł przeciętnie o ponad rząd wielkości, przy braku dowodów na równie dramatyczną zmianę typowych mas czy liczebności supermasywnych czarnych dziur.
Innymi słowy, dzisiejsze supermasywne czarne dziury to nie ginący gatunek, ale raczej dawni żarłocy, którzy przeszli na skromną dietę – po prostu mają do dyspozycji znacznie mniej chłodnego gazu niż w młodym Wszechświecie. Dobrze wpisuje się to w szerszy obraz ewolucji galaktyk: tempo formowania gwiazd również spada, bo rezerwuar zimnego gazu w halo galaktycznym stopniowo się wyczerpuje.
Co te wyniki mówią o przyszłości
Analiza pokazuje, że trend spadku tempa akrecji będzie prawdopodobnie trwał dalej – w przyszłości supermasywne czarne dziury będą przybierały na masie jeszcze wolniej. Najbardziej burzliwy okres ich wzrostu mamy więc już za sobą, a obecnie żyjemy w epoce raczej spokojnego dojadania resztek materii. Dla kosmologii to istotna wskazówka, bo historia akrecji na czarne dziury i historia formowania gwiazd wykazują bardzo podobny przebieg w czasie kosmicznym. Lepiej rozumiejąc, co spowalnia jeden z tych procesów, możemy precyzyjniej modelować współewolucję galaktyk i ich jąder oraz energetyczną historię Wszechświata – od kosmicznego południa po coraz spokojniejszą, wygaszoną przyszłość aktywnych jąder galaktyk.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Źródła
Główne źródło (komunikat prasowy):
- Chandra X-ray Center, „Chandra Resolves Why Black Holes Hit the Brakes on Growth”, 24 marca 2026
Źródła kontekstowe:
- Z. Yu et al. 2025, „The Drivers of the Decline in Supermassive Black Hole Growth at z < 2”, The Astrophysical Journal
- F. Zou et al. 2024, „Mapping the Growth of Supermassive Black Holes as a Function of Galaxy Stellar Mass and Redshift”
- Phys.org, „Chandra resolves why black holes hit the brakes on growth”
- Global People Daily News / blog CXC, omówienia zestawu obrazów i trzech scenariuszy wzrostu
- Penn State University, „Supermassive black holes are growing slower because they have less to consume”
- Blog CXC, „Chandra Explains Why Black Hole Growth Slowed Since Cosmic Noon”
Na ilustracji: Kompozycja dwóch galaktyk z omawianego badania: po lewej spiralna galaktyka 2CXO J033225.7–274936, odległa o ok. 5,6 mld lat świetlnych, z jasnym, silnie akreującym jądrem (intensywna emisja rentgenowska w kolorze fioletowym), po prawej bliższa galaktyka eliptyczna 2CXO J033215.3–275044, około 3 mld lat świetlnych od Ziemi, z dużo słabszym, „głodującym” jądrem. Źródło: Typ grafiki: kompozycja X (Chandra, fiolet) + optyczne (HST, niebieski) + podczerwone (JWST, czerwony i zielony)
