Astronomowie za pomocą teleskopów NASA odkryli najdalszą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek widziano w promieniowaniu rentgenowskim. Czarna dziura znajduje się na wczesnym etapie wzrostu, jakiego nigdy wcześniej nie obserwowano, a jej masa jest podobna do masy galaktyki macierzystej.
Wynik ten może wyjaśniać, w jaki sposób powstały niektóre z pierwszych supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie.
Łącząc dane z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra i Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, zespół naukowców był w stanie znaleźć charakterystyczną sygnaturę rosnącej czarnej dziury zaledwie 470 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
„Potrzebowaliśmy Webba, aby znaleźć tę niezwykle odległą galaktykę, a Chandry, aby znaleźć jej supermasywną czarną dziurę” – powiedział Akos Bogdan z Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian (CfA), który jest głównym autorem nowego artykułu opublikowanego na serwerze preprintów arXiv i który ma zostać opublikowany w czasopiśmie Nature Astronomy. „Wykorzystaliśmy do tego także kosmiczne szkło powiększające, które zwiększyło ilość wykrywanego przez nas światła”. Mowa tutaj oczywiście o efekcie soczewkowania grawitacyjnego.
Bogdan wraz ze swoim zespołem odkrył czarną dziurę w galaktyce UHZ1 w kierunku gromady galaktyk Abell 2744, położonej 3,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Dane Webba ujawniły jednak, że galaktyka jest znacznie dalej niż gromada, w odległości 13,2 miliarda lat świetlnych od Ziemi, kiedy Wszechświat miał zaledwie 3% swojego obecnego wieku.
Trwające dwa tygodnie obserwacje za pomocą Chandry wykazały obecność w tej galaktyce intensywnego, przegrzanego gazu emitującego promieniowanie rentgenowskie – znak rozpoznawczy rosnącej supermasywnej czarnej dziury. Światło z galaktyki i promieniowanie rentgenowskie gazu wokół jej supermasywnej czarnej dziury są powiększane około czterokrotnie przez materię znajdującą się w Abell 2744 (w wyniku soczewkowania grawitacyjnego), wzmacniając sygnał podczerwony wykrywany przez Webba i umożliwiając Chandrze wykrycie słabego źródła promieniowania rentgenowskiego.
Odkrycie to jest ważne dla zrozumienia, w jaki sposób niektóre supermasywne czarne dziury mogły osiągnąć kolosalne masy wkrótce po Wielkim Wybuchu. Czy powstają bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się masywnych obłoków gazu, tworząc czarne dziury o masie od około 10 000 do 100 000 słońc? A może pochodzą z eksplozji pierwszych gwiazd, w wyniku których powstają czarne dziury o masie zaledwie od 10 do 100 słońc?
„Istnieją fizyczne ograniczenia dotyczące tego, jak szybko czarne dziury mogą rosnąć po uformowaniu, ale te, które rodzą się bardziej masywne, mają przewagę. To jak sadzenie drzewka, którego wyrośnięcie na pełnowymiarowe drzewo zajmuje mniej czasu niż w przypadku, gdy zaczynamy od posadzenia nasion w ziemi” – mówi Andy Goulding z Uniwersytetu Princeton. Goulding jest współautorem artykułu w Nature Astronomy i głównym autorem nowego artykułu w The Astrophysical Journal Letters, który opisuje odległość i masę galaktyki za pomocą widma Webba.
Zespół Bogdana znalazł mocne dowody na to, że nowo odkryta czarna dziura narodziła się już masywna. Na podstawie jasności i energii promieni rentgenowskich szacuje się, że jej masa mieści się w przedziale od 10 do 100 milionów słońc. Ten zakres mas jest podobny do wszystkich gwiazd w galaktyce, w której występuje, co stanowi wyraźny kontrast w stosunku do czarnych dziur w centrach galaktyk w pobliskim wszechświecie, które zwykle zawierają tylko około jednej dziesiątej procenta masy gwiazd w galaktyce, w której się znajdują.
Duża masa czarnej dziury w młodym wieku, ilość wytwarzanego przez nią promieniowania rentgenowskiego oraz jasność galaktyki wykryta przez Webba, wszystko to zgadza się z teoretycznymi przewidywaniami z 2017 roku autorstwa współautorki Priyamvady Natarajan z Uniwersytetu Yale dla „zaskakująco dużych czarnych dziur”, które powstały bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się ogromnej chmury gazu.
„Uważamy, że jest to pierwsze wykrycie „Wielkiej Czarnej Dziury” i najlepszy dotychczas uzyskany dowód na to, że niektóre czarne dziury powstają z masywnych obłoków gazu” – mówi Natarajan. „Po raz pierwszy obserwujemy krótki etap, w którym supermasywna czarna dziura waży mniej więcej tyle, co gwiazdy w jej galaktyce, zanim pozostanie za nimi w tyle”.
Naukowcy planują wykorzystać te i inne wyniki napływające z Webba i połączyć z nimi dane z innych teleskopów, aby stworzyć szerszy obraz wczesnego Wszechświata.
Kosmiczny Teleskop Hubble’a pokazał wcześniej, że światło z odległych galaktyk jest silnie wzmocnione przez materię w gromadzie galaktyk, co stanowi część motywacji opisanych tutaj obserwacji Webba i Chandry.