Hubble odsłania kulisy powstawania supermasywnych czarnych dziur

Wizja artystyczna zalążka supermasywnej czarnej dziury. Źródło: NASA/CXC/M. Weiss
Wizja artystyczna zalążka supermasywnej czarnej dziury. Źródło: NASA/CXC/M. Weiss

Astrofizycy wykonali kolejne, istotne kroki na drodze do zrozumienia procesów odpowiadających za powstawanie supermasywnych czarnych dziur. W danych zebranych za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a oraz dwóch innych kosmicznych teleskopów włoscy naukowcy odkryli najlepsze jak dotąd dowody na istnienie zalążków, które z czasem rozrastają się w supermasywne czarne dziury.

Od wielu lat astronomowie zastanawiali się w jaki sposób tak szybko po Wielkim Wybuchu powstały supermasywne czarne dziury. Teraz zespół włoskich badaczy zidentyfikował dwa obiekty wczesnego Wszechświata, które wydają się być supermasywnymi czarnymi dziurami na bardzo wczesnym etapie ewolucji.

Aby odkryć i zidentyfikować owe obiekty grupa naukowców wykorzystała modele komputerowe oraz zastosowała nową metodę analizy danych zebranych za pomocą Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra, Kosmicznego Teleskopu Hubble’a oraz Kosmicznego Teleskopu Spitzer. Obydwa obiekty obserwowane są w niecały miliard lat po Wielkim Wybuchu i mają początkową masę ok. 100 000 mas Słońca.

„Nasze odkrycie, jeżeli zostanie potwierdzone, może tłumaczyć w jaki sposób powstają te monstrualne czarne dziury,” mówi Fabio Pacucci, główny autor badania z Scuola Normale Superiore w Pizie.

Nowe wyniki pozwalają także wytłumaczyć dlaczego widzimy supermasywne czarne dziury już w niecały miliard lat po Wielkim Wybuchu.

Istnieją dwie główne teorie tłumaczące powstawanie supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Jedna z nich zakłada, że takie zalążki rozrastają się z czarnych dziur o początkowej masie dziesięciu do stu mas Słońca, powstałych wskutek kolapsu masywnej gwiazdy. Następnie takie dziury rosną łącząc się z innymi małymi czarnymi dziurami i akreując gaz ze swojego otoczenia. Niemniej jednak w tym przypadku musiałyby rosnąć w niesłychanym tempie, aby osiągnąć masę supermasywnej czurnej dziury, którą odkryliśmy zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu.

Zalążek supermasywnej czarnej dziury okiem Hubble'a. Źródło: NASA/STScI/ESA
Zalążek supermasywnej czarnej dziury okiem Hubble’a. Źródło: NASA/STScI/ESA

Nowe odkrycie wskazuje jednak na inny scenariusz, w którym masywna czarna dziura o masie 100 000 razy większej od masy Słońca powstaje bezpośrednio wskutek kolapsu masywnego obłoku gazu. W tym przypadku wzrost czarnej dziury zaczyna się z poziomu dużej masy, i postępuje dużo szybciej.

„Istnieje wiele wątpliwości co do tego, którą ścieżką podążają supermasywne czarne dziury,” mówi współautorka artykułu Andrea Ferrara także z Scuola Normale Superiore. „Nasze wyniki wskazują jednak wyraźnie na jedną odpowiedź, w której czarne dziury zaczynają swoje życie z dużą masą i rosną w normalnym tempie zamiast zaczynać z niewielką masą i rosnąć w bardzo szybkim tempie.”

Andrea Grazian, współautorka opracowania z National Institute for Astrophysics we Włoszech tłumaczy: „Bardzo trudno odkryć takie zalążki czarnych dziur, a i potwierdzenie ich wykrycia jest wyjątkowo trudne. Niemniej jednak udało nam się najprawdopodobniej odkryć dwa dokładnie takie obiekty.”

Mimo, że obydwa obiekty zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi, niezbędne są dalsze obserwacje, które pozwolą potwierdzić ich prawdziwą naturę. Do ostatecznego potwierdzenia tej teorii powstawania supermasywnych czarnych dziur niezbędne będzie znalezienie większej liczby takich obiektów.

Zalążki supermasywnej czarnej dziury widziane okiem Chandry. Źródło:  NASA/CXC/Scuola Normale Superiore/Pacucci
Zalążki supermasywnej czarnej dziury widziane okiem Chandry. Źródło: NASA/CXC/Scuola Normale Superiore/Pacucci

Zespół badaczy planuje dalsze obserwacje w pasmie rentgenowskim i podczerwonym, które pozwolą sprawdzić czy oba obiekty mają także inne cechy zgodne z przewidywaniami teoretycznymi. Obserwatoria nowej generacji takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba oraz Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski z pewnością doprowadzą do przełomu w tej dziedzinie odkrywając jeszcze mniejsze i odleglejsze czarne dziury.

Źródło: ESO/Hubble

Uwagi

[1] Supermasywne czarne dziury charakteryzują się masą rzędu milionów a nawet miliardów mas Słońca. We współczesnym wszechświecie tego typu czarne dziury znajdują się w centrach prawie wszystkich dużych galaktyk, włącznie z Drogą Mleczną. Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej charakteryzuje się masą czterech milionów mas Słońca. Dwa potencjalne zalążki czarnych dziur także mogły być początkowym stadium współczesnych supermasywnych czarnych dziur.

[2] Zalążki czarnych dziur powstałe wskutek kolapsu masywnego obłoku gazu pomijają wszelkie pośrednie fazy ewolucji takie jak formowanie i śmierć masywnych gwiazd.