Supermasywna czarna dziura łamie granicę Eddingtona

Zdjęcie w tle: ESO; Event Horizon Telescope

Czarne dziury pozostają jednymi z najbardziej zagadkowych i fascynujących obiektów we wszechświecie. Mimo upływu ponad 100 lat od przewidzenia ich istnienia nie przestają nas zaskakiwać. Wyniki ostatnich badań z Teleskopu Jamesa Webba i Chandra X-Ray Observatory mogą pomóc wyjaśnić nam jedną z zagadek: w jaki sposób we wczesnym wszechświecie powstały supermasywne czarne dziury?

Obserwacje grupy galaktyk przeprowadzone przez JWST wykryły mały supermasywny obiekt, czarną dziurę o numeracji LID-568. Ta kosmiczna drobinka istniejąca 1,5 miliarda lat po wielkim wybuchu pochłania materię 40 razy szybciej, niż pozwala na to teoretyczny limit.

Krok po kroku

Badaniem opublikowanym w Nature Astronomy, przewodził Hyewon Suh – astronom z Międzynarodowego Obserwatorium Gemini i NOIRLab. Praca opublikowana w listopadzie 2024 r. skupia się na jasnych galaktykach rentgenowskich, oglądanych już wcześniej w ramach przeglądu COSMOS przez Chandra X-ray Observatory. Rejestracja obiektów odbyła się głównie dzięki Teleskopowi Jamesa Webba – a dokładniej jego niezwykle czułym instrumentom do spektroskopii.

NASA

Artystyczna interpretacja obserwatorium Chandra X-ray.

Jak to właściwie działa?

Do obserwacji tego obszaru zespół planował użyć instrumentów JWST przeznaczonych do klasycznej spektroskopii szczelinowej. Jednak dokładne ustalenie pozycji obiektu sprawiało trudności, dlatego zdecydowano się ostatecznie na wykorzystanie spektrografu bliskiej podczerwieni (NIRSpec) oraz kamery MIRI.

Obydwa instrumenty skupiają się na uzyskaniu widma. Spektroskopia szczelinowa polega na załamaniu się światła przechodzącego przez szczelinę, w efekcie uzyskując wąskie pasmo widma obserwowanego celu, zaś metoda NIRSpec wykorzystuje kilka długich szczelin, umożliwiając wykrycie danych spektralnych dla każdego piksela nikłego obiektu wraz jego otoczeniem. Jest także wyposażona w mechanizm, za pomocą którego można sterować pojedynczą przysłoną, regulując ilość wpuszczanego światła oraz zakres obserwowanego obszaru nieba, dzięki czemu jesteśmy w stanie uzyskać więcej szczegółów.

Jak mówi Emanuele Farina, astronomka NOIRLab, współautorka artykułu Nature Astronomy:

 „Ze względu na jego słabą naturę, wykrycie LID-568 byłoby niemożliwe bez JWST. Użycie spektrografu pola integralnego było innowacyjne i niezbędne do prowadzenia obserwacji.”

NOIRLab

Wizja artystyczna galaktyki karłowatej, w której znajduje się LID-568.

Wyniki teleskopu Webba – akrecja super-Eddingtona

Wyniki z Kosmicznego Teleskopu Webba ujawniły zaskakująco obfitą populację słabych, aktywnych jąder galaktyk – ciał niesamowicie trudnych do zarejestrowania z powodu bardzo jasnej rentgenowskiej części widma. „Znikają” one we wszystkich długościach fal optycznych oraz w bliskiej podczerwieni. Podobnie jak większość wykrytych obiektów przez JWST, badana czarna dziura jest zawarta właśnie w podczerwieni. Z obszarów środka badanego obiektu wydostawały się ogromne ilości gazu, czego konsekwencją była znacznie silniejsza emisja promieniowania rentgenowskiego LID-568. Umożliwiło to jej identyfikację, z kolei utrudniając określenie lokalizacji a dokładniej  poprawnego wyśrodkowania pola widzenia w teleskopie Webba.

Co najciekawsze, okazuje się, że badana czarna dziura mimo jej niewielkich rozmiarów absorbuje 40 razy więcej materii, niż powinna. Przekroczyła ona tak zwany limit Eddingtona, który odnosi się do maksymalnej jasności obiektu zdolnego do promieniowania – w tym przypadku dysku akrecyjnego. Limit ten obowiązuje gdy siła grawitacyjna i ciśnienie promieniowania zewnętrznego są zachowane w równowadze. W przypadku LID-568 jasność jej jest znacznie wyższa, niż teoretycznie jest to możliwe, (jej ciśnienie promieniowania przekracza siłę przyciągania grawitacyjnego) co czyni ją pierwszym bezpośrednim dowodem na zachodzenie akrecji super-Eddingtona.

Do tej pory astronomia napotykała problem. Nie rozumieliśmy, jak supermasywne czarne dziury w odległej przeszłości mogły urosnąć do ogromnych rozmiarów w tak krótkim czasie, przynajmniej bez przekroczenia limitu Eddingtona. To nowe odkrycie sugeruje, że duże przyrosty masy mogą następować również podczas szybkiego epizodu pochłaniania (akrecji) materii. Jest to jedno z możliwych wyjaśnień, dlaczego widzimy masywne dziury na wczesnych etapach wszechświata.

Korekta – Zofia Lamęcka

The post Supermasywna czarna dziura łamie granicę Eddingtona first appeared on AstroNET – Polski Portal Astronomiczny.