Astronomowie odkryli, że masy gwiazdowe galaktyk i ich centralne supermasywne czarne dziury wydają się rosnąć razem.
Naukowcy uważają, że większość galaktyk posiada w swoich jądrach supermasywną czarną dziurę (SMBH), obiekt o masie przekraczającej milion mas Słońca. Droga Mleczna, na przykład, ma w centrum czarną dziurę o masie czterech milionów Słońc. Szacuje się, że najbardziej ekstremalne ich przykłady mają masy sięgające nawet 10 miliardów Słońc. Zarówno aktywne, jak i nieaktywne galaktyki posiadają centralne SMBH, ale te pierwsze aktywnie akreują materię – rozgrzewają i zmuszają do świecenia swoje otoczenie. Masy tych potworów mogą być mierzone bezpośrednio na podstawie kinematyki gazu lub gwiazd orbitujących w ich silnym polu grawitacyjnym. Pośrednich pomiarów można dokonać również bazując na odkrytych zależnościach pomocniczych, na przykład masy SMBH wydają się być ściśle powiązane z całkowitymi masami gwiazd i rozkładem ruchów (dyspersja prędkości) obserwowanymi w galaktykach macierzystych. Ponieważ masy czarnych dziur zdają się rosnąć z czasem, korelacje te sugerują, że istnieje pewna współewolucja jądra z całą galaktyką, ale nie wiadomo skąd się bierze i jak się rozwija. Nieaktywne galaktyki wykazują na przykład inną korelację niż aktywne, ale to może wynikać z selekcji obserwacyjnej. Niektórzy naukowcy argumentowali, że korelacja masy centralnej czarnej dziury z całkowitą masą gwiazd w galaktyce jest jedynie produktem ubocznym bardziej fundamentalnych zależności wynikających z dyspersją prędkości.
Zespół astronomów z kilkunastu instytucji pod kierunkiem Francesco Shankara z Uniwersytetu w Southampton wykorzystał dane z obserwatorium rentgenowskiego Chandra oraz innych misji obserwujących w paśmie X, aby zbadać kluczową kwestię, czy za opisane powyżej korelacje, mogą odpowiadać efekty selekcji obserwacyjnej. Na przykład, ograniczone możliwości współczesnych teleskopów sprzyjają obserwacjom jedynie tych galaktyk, których gaz i gwiazdy mają największe dyspersje prędkości, a symulacje komputerowe wykazały, że ten sam efekt może tłumaczyć pojawienie się korelacji. Zamiast tego astronomowie spojrzeli na promieniowanie rentgenowskie próbki nieaktywnych galaktyk, jako miarę akrecji na ich centralne czarne dziury, co z kolei jest miarą ich mas i wydajności tworzenia promieniowania. Technika ta wykorzystuje wyniki promieniowania rentgenowskiego pojedynczych galaktyk do uzyskania ich mas i jest bardziej niezawodna niż podobne, starsze próby, które wykorzystywały średnie wartości rentgenowskie.
Astronomowie odkryli, że całkowite masy gwiazd w galaktykach rzeczywiście zdają się wzrastać razem z masami ich centralnych SMBH. Relacja ta jest prawie niezależna od epoki, z której pochodzą galaktyki już od około 10 miliardów lat. Uzyskany wynik pokazuje też, że wcześniejsze podobne korelacje były obciążone efektami selekcji, przynajmniej te wywodzące się z kinematyki. Zespół donosi o jednej niespodziance: wydajność promieniowania akrecyjnego wynosi około 15%, prawie dziesięć razy więcej niż oczekiwano i sugeruje, że SMHB w centrach galaktyk rotują szybciej niż wcześniej zakładano, ponieważ wirujące czarne dziury powinny być bardziej wydajnymi radiatorami.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej:
The Masses of Supermassive Black Holes
Źródło: CfA
Na ilustracji: Galaktyka NGC 5548, która w swoim jadrze posiada supermasywną czarną dziurę o masie przekraczającej milion Słońc. Źródło: ESA/Hubble and NASA. Podziękowanie: Davide de Martin
