Astronomowie znaleźli trójkę aktywnych czarnych dziur w jednej galaktyce z młodości Wszechświata
Międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej Maxa Plancka odkrył coś, czego nigdy wcześniej nie obserwowano: trzy aktywnie zasilane supermasywne czarne dziury działające jednocześnie w jednej galaktyce. Co więcej, galaktyka ta istniała, gdy Wszechświat miał zaledwie 1,2 miliarda lat. Odkrycie, dokonane dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba, rzuca nowe światło na jeden z najbardziej uporczywych problemów kosmologii: skąd wzięły się gigantyczne czarne dziury tak wcześnie w historii kosmosu.
Zagadka szybkiego wzrostu
Niemal każda duża galaktyka, w tym nasza Droga Mleczna, skrywa w centrum supermasywną czarną dziurę o masie od milionów do miliardów mas Słońca. Problem w tym, że teleskop Webba regularnie wyłapuje takie obiekty już w galaktykach istniejących w pierwszym miliardzie lat po Wielkim Wybuchu — a standardowe modele wzrostu, oparte na stopniowym pochłanianiu gazu, z trudem tłumaczą, jak czarne dziury zdążyły urosnąć tak szybko. Jedną z hipotez jest to, że przyspieszały ten proces zderzenia i fuzje galaktyk, podczas których łączyły się również czające się w ich jądrach czarne dziury. Do tej pory dowody na taki scenariusz były jednak fragmentaryczne.
Trzy źródła w jednej galaktyce
Badacze przeanalizowali galaktykę oznaczoną jako J0148-4214, znajdującą się przy przesunięciu ku czerwieni z=5,02. Jej światło wędrowało do nas 12,5 miliarda lat, dzięki czemu widzimy ją taką, jaka była około 1,2 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Za pomocą spektrografu NIRSpec, pracującego w trybie spektroskopii pola trójwymiarowego (IFU) — czyli rejestrującego pełne widmo w każdym punkcie obrazu galaktyki — zespół namierzył charakterystyczny sygnał wodoru poruszającego się z ogromnymi prędkościami w polu grawitacyjnym czarnych dziur.
W centrum galaktyki widmo miało na tyle złożoną strukturę, że dało się je wytłumaczyć jedynie obecnością dwóch osobnych źródeł, oddalonych od siebie o zaledwie 620 lat świetlnych. Aby je rozdzielić, naukowcy zastosowali spektroastrometrię — technikę pozwalającą precyzyjnie zlokalizować drobne przesunięcia w emisji linii widmowych, nawet gdy obiekty są zbyt blisko siebie, by rozróżnić je jako osobne punkty na zdjęciu. Trzecią czarną dziurę znaleziono w zewnętrznej części galaktyki, około 5500 lat świetlnych od centrum.
Masy trzech obiektów oszacowano na około 80 milionów, 2 miliony i 0,6 miliona mas Słońca. Co ciekawe, najmniejsza z nich pochłania materię tak intensywnie, że przekracza tzw. granicę Eddingtona — teoretyczny limit tempa akrecji wynikający z równowagi między ciśnieniem promieniowania a grawitacją. Cała galaktyka zawiera w gwiazdach około 1,3 miliarda mas Słońca, a więc trzy czarne dziury odpowiadają za znaczną część jej całkowitej masy.
Co dalej z tym układem
Zgodnie z szacunkami zespołu, dwie centralne czarne dziury połączą się w ciągu najbliższych kilkuset milionów lat. Trzecia, znajdująca się na obrzeżach, mogła powstać wskutek wcześniejszej fuzji i zostać wypchnięta z centrum na skutek tzw. kopnięcia grawitacyjnego (efektu odrzutu podczas łączenia się czarnych dziur), lub wciąż migruje w stronę jądra galaktyki.
To pierwszy dowód na istnienie trzech aktywnych czarnych dziur w jednej galaktyce w odległym Wszechświecie — podkreśla Hannah Übler, kierowniczka grupy badawczej w MPE i główna autorka publikacji. Jak dodaje, wynik sugeruje, że procesy zachodzące we wczesnym Wszechświecie skutecznie zbliżały do siebie masywne czarne dziury, przygotowując grunt pod fuzje, które w przyszłości będą mogły wykrywać obserwatoria fal grawitacyjnych.
Odkrycie pokazuje też, jak wiele tracimy, korzystając z tradycyjnych, punktowych obserwacji spektroskopowych. Bez spektroskopii pola trójwymiarowego zespół prawdopodobnie zarejestrowałby sygnał tylko jednej z trzech czarnych dziur, traktując go błędnie jako pojedyncze, uśrednione źródło. To zachęca astronomów do szerszego stosowania tej metody w poszukiwaniu kolejnych ukrytych układów wielokrotnych we wczesnym kosmosie.
Źródła główne:
- Übler, H., Mazzolari, G., Maiolino, R. i in., BlackTHUNDER: Evidence of three massive black holes in a z ∼ 5 galaxy,
- Max Planck Society, komunikat prasowy: Three supermassive black holes discovered in a single galaxy for the first time
Źródła kontekstowe:
- Phys.org: Three supermassive black holes discovered in a single galaxy for the first time
- Universe Today: Another First for the JWST: It Detects Three Supermassive Black Holes in the Same Galaxy
Opracowanie: Agnieszka Nowak
