Kosmiczny gigant przekraczający limit Eddingtona we wczesnym Wszechświecie

Przełomowe obserwacje dokonane przez Teleskop Kosmiczny Chandra ujawniły istnienie czarnej dziury, która łamie kosmiczne limity. Obiekt RACS J0320-35, działający z rekordową prędkością zaledwie 920 milionów lat po Wielkim Wybuchu, dostarcza kluczowych danych, które mogą na nowo zdefiniować teorie dotyczące powstawania pierwszej generacji supermasywnych czarnych dziur.

Narodziny giganta 12,8 miliarda lat temu

Astronomowie natrafili na niezwykłe odkrycie za pomocą Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra: zidentyfikowali czarną dziurę rosnącą w jednym z najszybszych temp, jakie kiedykolwiek zarejestrowano. To zjawisko może pomóc w wyjaśnieniu, w jaki sposób niektóre z tych obiektów zdołały osiągnąć gigantyczne rozmiary stosunkowo szybko po Wielkim Wybuchu.

Mówimy tu o prawdziwym kosmicznym potworze: czarna dziura ma masę szacowaną na około miliarda razy większą niż masa Słońca. Obiekt ten jest bardzo odległy – znajduje się około 12,8 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Oznacza to, że obserwujemy go w stanie, w jakim istniał on zaledwie 920 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Ten odległy obiekt produkuje więcej promieniowania rentgenowskiego niż jakakolwiek inna czarna dziura obserwowana w pierwszym miliardzie lat istnienia Wszechświata.

Czarna dziura RACS J0320-35 zasila kwazar – obiekt, którego jasność przyćmiewa całe galaktyki. Źródłem tej ogromnej energii są ogromne ilości materii, które krążą wokół czarnej dziury i do niej wpadają.

Jak Chandra odkryła grawitacyjną dietę przekraczającą limit

Chociaż zespół naukowców po raz pierwszy odkrył ten kwazar dwa lata temu, dopiero obserwacje z Chandry przeprowadzone w 2023 roku ujawniły, co tak naprawdę wyróżnia RACS J0320-35.

Grawitacja kontra ciśnienie promieniowania

Kluczem do zrozumienia tego odkrycia jest limit Eddingtona. Kiedy materia jest przyciągana do czarnej dziury, ulega nagrzaniu i wytwarza intensywne promieniowanie – w tym promieniowanie rentgenowskie i światło widzialne. To właśnie to promieniowanie wywiera ciśnienie na opadającą materię. Istnieje pewna wartość krytyczna tempa opadania materii, przy której ciśnienie promieniowania jest w stanie zrównoważyć grawitację czarnej dziury, co normalnie uniemożliwia materii opadanie szybciej. To teoretyczne maksimum nazywane jest granicą Eddingtona.

Dane rentgenowskie z Chandry są szokujące, ponieważ sugerują, że ta czarna dziura wydaje się rosnąć w tempie przekraczającym normalne limity dla tego typu obiektów.

Szacunki rekordowego tempa

Luca Ighina, który kierował badaniami, określił to zjawisko jako rośnięcie w zawrotnym tempie. Szacuje się, że tempo wzrostu wynosi 2,4-krotność limitu Eddingtona. Naukowcy obliczyli, że czarna dziura przybiera na masie w tempie od 300 do 3000 mas Słońca rocznie.

Aby to określić, naukowcy porównali modele teoretyczne z widmem rentgenowskim otrzymanym z Chandry. Stwierdzono, że widmo ściśle odpowiada oczekiwaniom dla czarnej dziury rosnącej szybciej niż granica Eddingtona. Wyniki te zostały dodatkowo potwierdzone przez dane z zakresu optycznego i podczerwonego.

Nowe światło na pochodzenie supermasywnych czarnych dziur

To odkrycie ma ogromne znaczenie dla astrofizyki, ponieważ pozwala na testowanie różnych teorii dotyczących powstawania czarnych dziur.

Konfrontacja dwóch scenariuszy

Obserwacja tak masywnej czarnej dziury, która istniała już we wczesnym Wszechświecie, stawiała dotąd naukowców przed dylematem:

1. Scenariusz wolnego wzrostu (poniżej limitu Eddingtona): Aby osiągnąć miliard mas Słońca w tak krótkim czasie, czarna dziura musiałaby powstać z ogromną masą początkową, około 10 000 mas Słońca lub większą. To wymagałoby egzotycznego procesu, np. zapadnięcia się ogromnego obłoku gęstego gazu z nietypowo małą ilością ciężkich pierwiastków.
2. Scenariusz szybkiego wzrostu (powyżej limitu Eddingtona): Jeśli RACS J0320-35 rzeczywiście rośnie w tak szybkim tempie przez dłuższy czas, mogła powstać w bardziej konwencjonalny sposób, np. w wyniku implozji masywnej gwiazdy, mając masę mniejszą niż sto mas Słońca.

Jak podkreślił współautor Alberto Moretti, obliczenie tempa wzrostu pozwala teraz naukowcom oszacować jej masę w momencie powstania i w ten sposób przeprowadzić testy na teoriach dotyczących ich genezy.

Zagadki strumieni i pierwszej generacji

Wyniki te pomagają odpowiedzieć na jedno z najważniejszych pytań we współczesnej astrofizyce: W jaki sposób Wszechświat stworzył pierwszą generację czarnych dziur?.

Odkrycie to rodzi również kolejną intrygującą zagadkę: przyczynę powstawania strumieni cząstek (dżetów). Jak zaobserwowano w RACS J0320-35, cząstki te oddalają się z prędkością bliską prędkości światła. Ponieważ obecność takich dżetów jest rzadka w przypadku kwazarów, naukowcy podejrzewają, że szybkie tempo wzrostu czarnej dziury w jakiś sposób przyczynia się do ich powstawania.

Artykuł opisujący te wyniki został opublikowany w czasopiśmie The Astrophysical Journal.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło: NASA

Czytaj też:
Urania