Odkryto nowe dowody wyjaśniające, w jaki sposób supermasywne czarne dziury uformowały się w ciągu pierwszych miliardów lat istnienia Wszechświata.
W badaniach przeprowadzonych przez naukowców INAF analizują oni 21 odległych kwazarów i ujawniają, że obiekty te znajdują się w fazie niezwykle szybkiej akrecji. Zapewnia 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, nowe dowody sugerują, 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. Badania, prowadzone przez naukowców z Narodowego Instytutu Astrofizyki (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, pierwsze uformowane podczas kosmicznego świtu, mogły osiągnąć swoje niezwykłe masy poprzez bardzo szybką i intensywną akrecję, zapewniając w ten sposób wiarygodne wyjaśnienie ich istnienia we wczesnych stadiach Wszechświata.
Kwazary to aktywne galaktyki zasilane przez centralne supermasywne czarne dziury (znane jako aktywne jądra galaktyczne), które emitują ogromne ilości energii, przyciągając materię. Są one niezwykle jasne i odległe od nas. W szczególności kwazary badane w tej pracy są jednymi z najodleglejszych obiektów, jakie kiedykolwiek zaobserwowano, pochodzącymi z czasów, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat.
W tej pracy analiza emisji promieniowania rentgenowskiego z tych obiektów ujawniła całkowicie nieoczekiwane zachowanie supermasywnych czarnych dziur 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 najbliżej czarnej dziury. 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 eksponowania wolniejszych kwazarów.
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 INAF w Rzymie. Odkrycie tego 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, wybierając 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
Źródło:
INAF
