Astronomowie odkryli najdalszą jak dotąd supermasywną czarną dziurę. Jej światło pochodzi z czasów, gdy Wszechświat miał zaledwie 470 milionów lat. Obiekt został odkryty w galaktyce UHZ1 i znajduje się na wczesnym etapie rozwoju. Jego odkrycie zapewnia nowy wgląd w to, jak powstają te kolosalne obiekty i jak zyskują swoją masę.
Łącząc dane z pracującego w zakresie promieniowania rentgenowskiego Kosmicznego Teleskopu Chandra oraz z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), zespół naukowców zlokalizował charakterystyczną sygnaturę rosnącej czarnej dziury zaledwie 470 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
- Potrzebowaliśmy teleskopu Webba, aby znaleźć tę niezwykle odległą galaktykę, a Chandry, aby znaleźć jej supermasywną czarną dziurę – powiedział Akos Bogdan z Centrum Astrofizyki Harvard & Smithsonian. - Wykorzystaliśmy także kosmiczne szkło powiększające, które zwiększyło ilość wykrywanego przez nas światła – dodał. Wspomniane szkło powiększające to soczewkowanie grawitacyjne, dzięki któremu odkryto obiekt w galaktyce UHZ1.
Wyniki i opis badań jest dostępny na serwerze pre-printów arXiv (DOI: 10.48550/arxiv.2305.15458). Wkrótce ma się również ukazać na łamach pisma „Nature Astronomy”.
Bogdan i jego zespół odkryli czarną dziurę w galaktyce UHZ1 dzięki zjawisku soczewkowania grawitacyjnego. Zjawisko to zachodzi, gdy światło od odległego źródła uginane jest przez bliższy obiekt zwany soczewką. Masa soczewki zakrzywia przestrzeń wokół niej, co powoduje ugięcie promieni świetlnych, w efekcie czego można zaobserwować pojaśnienie źródła. Innymi słowy, grawitacja obiektów zagina i wzmacnia światło z odleglejszych gwiazd w chwili, gdy na jednej linii znajdzie się źródło promieniowania, obiekt soczewkujący oraz obserwator na Ziemi.
Astronomowie skierowali teleskopy Chandra i JWST w stronę gromady galaktyk Abell 2744, położonej 3,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. To właśnie ta gromada odegrała rolę soczewki i wzmocniła światło obiektów znajdujących się za gromadą galaktyk. Wśród tych obiektów była galaktyka UHZ1.
Dzięki połączonej mocy obu obserwatoriów badacze byli w stanie scharakteryzować odległą galaktykę. Dane z Webba ujawniły, że jest znacznie dalej niż gromada Abell 2744 i znajduje się w odległości aż 13,2 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Obrazowanie pokazało ją w chwili, gdy Wszechświat miał zaledwie trzy procent swojego obecnego wieku. Z kolej informacje zebrane przez teleskop Chandra wykazały obecność w 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 zostały powiększane około czterokrotnie przez materię znajdującą się w Abell 2744 w wyniku soczewkowania grawitacyjnego, wzmacniając sygnał podczerwony wykrywany przez Webba i umożliwiając teleskopowi Chandra na wykrycie słabego źródła promieniowania rentgenowskiego.
Odkrycie to jest ważne dla zrozumienia, w jaki sposób niektóre supermasywne czarne dziury mogły osiągnąć tak kolosalne masy wkrótce po Wielkim Wybuchu. Czy powstają bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się masywnych obłoków gazu, tworząc czarne dziury o masie od około 10 tys. do 100 tys. mas naszego Słońca? A może pochodzą z eksplozji pierwszych gwiazd, w wyniku których powstają czarne dziury o masie zaledwie od 10 do 100 mas Słońca?
- Istnieją fizyczne ograniczenia dotyczące tego, jak szybko czarne dziury mogą rosnąć po uformowaniu się, 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 zaczynałeś od nasion – powiedział Andy Goulding z Princeton University.
Zespół Bogdana znalazł mocne dowody na to, że nowo odkryta czarna dziura narodziła się już jako masywny obiekt. Na podstawie jasności i energii promieniowania rentgenowskiego badacze oszacowali, że masa czarnej dziury w UHZ1 mieści się w przedziale od 10 do 100 milionów mas naszego Słońca. Naukowcy odkryli też, że to mniej więcej tyle samo, co reszta gwiazd w galaktyce UHZ1 razem wzięta. Zazwyczaj stosunek masy czarnej dziury do masy jej galaktyki macierzystej wynosi około pół procent. Wyniki dla UHZ1 sugerują, jak twierdzą badacze, że UHZ1 i jej czarna dziura są w młodym stadium.
Duża masa czarnej dziury w młodym wieku, ilość wytwarzanego przez nią promieniowania rentgenowskiego oraz jasność galaktyki - wszystko to zgadza się z teoretycznymi przewidywaniami z 2017 roku autorstwa Priyamvady Natarajan z Uniwersytetu Yale dla czarnych dziur, które powstały bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się ogromnej chmury gazu.
Podobnie uważa Bogdan. Według niego, nowe odkrycie może wskazywać na sposób powstawania supermasywnych czarnych dziur, który wymaga bezpośredniego zapadnięcia się grawitacyjnego ogromnej chmury gazu w ultragęsty obiekt, który w miarę upływu czasu stawał się coraz większy.
- Uważamy, że jest to pierwsze wykrycie tego typu czarnej dziury i najlepszy dotychczas uzyskany dowód na to, że niektóre czarne dziury powstają z masywnych obłoków gazu – powiedziała Natarajan, współautorka obecnych badań. - Po raz pierwszy obserwujemy krótki etap, w którym supermasywna czarna dziura waży mniej więcej tyle, co gwiazdy w jej galaktyce, zanim pozostanie w tyle – dodała.
Astronomowie stosunkowo mało wiedzą o czarnych dziurach, zwłaszcza o procesie ich powstawania. Co ciekawe, we wczesnym Wszechświecie jest znacznie więcej tych obiektów niż się spodziewano i do tego są zbyt masywne jak na ich wiek. Nowe obserwacje mogą pomóc uczonym dowiedzieć się więcej o czarnych dziurach z wczesnej historii Wszechświata i o tym, w jaki sposób tak szybko urosły.
Źródło: Chandra X-ray Center, Science Alert, fot. Chandra X-ray Center
