Odkryto nowe dowody wyjaśniające, w jaki sposób supermasywne czarne dziury uformowały się w ciągu pierwszych miliardów lat istnienia Wszechświata.
W badaniach przeprowadzonych przez naukowców z Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) w Rzymie przeanalizowano 21 odległych kwazarów – i ujawniono, że obiekty te znajdują się w fazie niezwykle szybkiej akrecji. Daje to cenny wgląd w ich powstawanie i ewolucję wraz z ewolucją ich galaktyk macierzystych.
W artykule opublikowanym 20 listopada 2024 roku w czasopiśmie „Astronomy & Astrophysics” opisano, w jaki sposób supermasywne czarne dziury, o masie kilka miliardów razy większej niż nasze Słońce uformowały się tak szybko – mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu. Naukowcy z INAF analizują próbkę 21 kwazarów – jednych z najodleglejszych, jakie kiedykolwiek odkryto, obserwowanych w paśmie promieniowania X przez teleskopy kosmiczne XMM-Newton i Chandra. Wyniki sugerują, że supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrum tych tytanicznych kwazarów mogły osiągnąć potężną masę poprzez bardzo szybką i intensywną akrecję; to wiarygodne wyjaśnienie ich istnienia we wczesnych stadiach Wszechświata.
Kwazary to aktywne galaktyki zasilane przez znajdujące się w ich centrum supermasywne czarne dziury (znane jako aktywne jądra galaktyczne, czyli AGN), które emitują ogromne ilości energii, przyciągając materię. Są niezwykle jasne i odległe od nas. Kwazary badane w tej pracy są jednymi z najodleglejszych obiektów, jakie kiedykolwiek zaobserwowano, pochodzącymi z czasów, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat.
Analiza emisji promieniowania rentgenowskiego z tych obiektów ujawniła całkowicie nieoczekiwane zachowanie supermasywnych czarnych dziur widoczne w ich jądrach: pojawił się związek między kształtem emisji promieniowania rentgenowskiego a prędkością wiatrów materii wyrzucanych przez kwazary. Zależność ta łączy prędkość wiatru, który może osiągać tysiące kilometrów na sekundę, z temperaturą gazu w koronie – regionie emitującym promieniowanie rentgenowskie. W ten sposób korona okazała się być powiązana z potężnymi mechanizmami akrecji samej czarnej dziury. Kwazary z niskoenergetyczną emisją promieniowania rentgenowskiego, a tym samym niższą temperaturą w koronie, wykazują szybsze wiatry. Wskazuje to na bardzo szybką fazę wzrostu, która przekracza fizyczny limit akrecji materii zwany granicą Eddingtona – dlatego faza ta nazywana jest „super-Eddingtonem”. I odwrotnie: kwazary z emisją promieniowania X o wyższej energii mają tendencję do wolniejszych wiatrów.
Nasza praca sugeruje, że supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrum pierwszych kwazarów powstałych w ciągu pierwszych miliardów lat istnienia Wszechświata mogły w rzeczywistości bardzo szybko zwiększyć swoją masę, rzucając wyzwanie granicom fizyki – powiedziała Alessia Tortosa, główna autorka pracy i badaczka z INAF. Odkrycie związku między emisją promieniowania rentgenowskiego a wiatrami ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, w jaki sposób tak duże czarne dziury mogły powstać w tak krótkim czasie, zapewniając w ten sposób konkretną wskazówkę do rozwiązania jednej z największych tajemnic współczesnej astrofizyki.
Wynik został osiągnięty głównie dzięki analizie danych zebranych za pomocą teleskopu XMM-Newton, co pozwoliło na około 700 godzin obserwacji kwazarów. Większość danych, zebranych w latach 2021–2023 w ramach wieloletniego programu XMM-Newton Heritage, pod kierunkiem Luca Zappacosty, naukowca z INAF, jest częścią projektu HYPERION, którego celem jest badanie nadświetlnych kwazarów podczas kosmicznego świtu.
W programie HYPERION skupiliśmy się na dwóch kluczowych czynnikach: z jednej strony na starannej selekcji kwazarów do obserwacji – wybraliśmy tytanów, czyli te, które zgromadziły jak największą masę – a z drugiej strony na dogłębnym badaniu ich właściwości w promieniowaniu rentgenowskim, czego nigdy wcześniej nie próbowano na tak dużej liczbie obiektów kosmicznego świtu – powiedział Luca Zappacosta. Trafiliśmy w dziesiątkę! Uzyskane przez nas wyniki są naprawdę nieoczekiwane i wszystkie wskazują na mechanizm wzrostu czarnych dziur „super-Eddingtona”.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Unlocking the secrets of the first Quasars: how they defy the laws of Physics to grow
- HYPERION. Shedding light on the first luminous quasars: A correlation between UV disc winds and X-ray continuum
Źródło: INAF
Na ilustracji: Wizja artystyczna akreującej czarnej dziury otoczonej gazem poruszającym się spiralnie w jej kierunku wzdłuż płaszczyzny równikowej, który, wpadając do środka, emituje potężne wiatry materii. Źródło: Emanuela Tortosa
