Teleskop Webba zarejestrował narodziny supermasywnej czarnej dziury. To tajemniczy obiekt

Spis treści:

1. Narodziny supermasywnej czarnej dziury
2. Swobodne czarne dziury
3. Teorie lekkich i ciężkich ziaren
4. Badania Nieskończoności

Niedawno astronomowie pracujący nad obrazami z badania COSMOS-Web prowadzonego przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) odkryli coś zaskakującego – galaktykę z podwójnym jądrem, powstałą prawdopodobnie w wyniku zderzenia się dwóch galaktyk. W związku z tym, że na obrazach przypomina symbol nieskończoności (∞), nadali jej przydomek Infinity (Galaktyka Nieskończoności).

A chociaż sama możliwość zbadania kolizji galaktyk i powstałego w jej wyniku nowego obiektu jest fascynująca, to uwagę astronomów przykuło coś innego – dostrzeżona między łączącymi się galaktykami supermasywna czarna dziura. Znajduje się ona w rozległym polu gazu, a naukowcy uważają, że może to być uznawana za do tej pory hipotetyczną czarną dziurę powstała w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się obłoku gazowego.

Narodziny supermasywnej czarnej dziury

– Uważamy, że jesteśmy świadkami narodzin supermasywnej czarnej dziury (SMBH) – czegoś, czego nigdy wcześniej nie widziano – napisał prof. Pieter van Dokkum z Uniwersytetu Yale. Jest on głównym autorem artykułu przedstawiającego to odkrycie, opublikowanego w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.

Morfologia Infinity sugeruje, iż powstała ona w wyniku zderzenia lub nałożenia na siebie dwóch galaktyk o równoległych dyskach, co utworzyło pierścienie zderzeniowe wokół obu galaktyk. Dane z teleskopów Kecka, Chandra i Very Large Array wskazują, że galaktyka Infinity, poza SMBH w centrach stapiających się galaktyk, zawiera aktywnie akreującą supermasywną czarną dziurę znajdującą się pomiędzy nimi.

– Co ciekawe, ta trzecia SMBH nie jest powiązana z żadnym z dwóch centrów. Znajduje się pomiędzy nimi zarówno pod względem położenia, jak i prędkości radialnej – stwierdzono w artykule.

Dalej badacze sugerują, że SMBH narodziła się w chmurze gęstego gazu pochodzącego z pierścieni gazowych otaczających jądra zbliżających się galaktyk. Van Dokkum i jego współpracownicy wyjaśnili, że dalsze obserwacje za pomocą JWST mogą potwierdzić to odkrycie i wykazać, że „bezpośrednie” powstanie SMBH w wyniku gwałtownego zapadnięcia się grawitacyjnego jest możliwe w ekstremalnych warunkach.

Swobodne czarne dziury

– Największym zaskoczeniem było to, że ta konkretna czarna dziura nie znajdowała się w żadnym z dwóch centrów, ale pośrodku. Zadaliśmy sobie pytanie: jak to zrozumieć? – napisał w komunikacie prasowym van Dokkum. Dodał, że odkrycie czarnej dziury, która nie znajduje się w sercu masywnej galaktyki, jest samo w sobie niezwykłe, ale jeszcze bardziej niezwykła jest historia tego, jak mogła się tam znaleźć.

– Prawdopodobnie nie tylko się tam znalazła, ale powstała właśnie tam. I to całkiem, jak na kosmiczne warunki, niedawno. Innymi słowy, uważamy, że jesteśmy świadkami narodzin supermasywnej czarnej dziury – czegoś, czego nigdy wcześniej nie widziano – przekonuje badacz.

– To ekscytujące odkrycie, które – mam nadzieję – pociągnie za sobą kolejne – mówi prof. Łukasz Wyrzykowski, astronom związany m.in. z Obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego. Profesor Wyrzykowski nie brał udziału w badaniach prowadzonych przez van Dokkuma. Wyjaśnia jednak, że istnieje też inna możliwość powstania opisywanej supermasywnej czarnej dziury. Może ona należeć do grona „błąkających się” SMBH, które zostały wyrzucone ze swojej galaktyki macierzystej.

– Wiemy, że w centrach galaktyk, które przeżyły złączenie z inną galaktyką, znajduje się nie jedna, lecz dwie SMBH. Zdarza się, że w wyniku grawitacyjnego tańca obiektów w centrach galaktyk, jedna z nich może zostać wystrzelona w przestrzeń międzygalaktyczną. Może więc po prostu przemieszczać się przez kosmos, choć z naszego punktu widzenia wydaje się związana ze wspomnianymi wcześniej pierścieniami łączących się galaktyk Infinity – tłumaczy naukowiec. Dodaje jednak, że jeśli SMBH w galaktyce Infinity powstała bezpośrednio z zapadania się obłoku molekularnego, byłby to przełom w badaniach nad genezą tego typu obiektów w młodym Wszechświecie.

Teorie lekkich i ciężkich ziaren

Istnieją dwie teorie wyjaśniające powstawanie czarnych dziur. Są to teorie „lekkich i ciężkich ziarenek”. Scenariusz lekkich ziaren zaczyna się od czarnych dziur o masie gwiazdowej, które powstają, gdy masywne gwiazdy eksplodują jako supernowe, a ich jądro zapada się. Tego typu czarne dziury mogą mieć masę do 1000 mas Słońca, a może nawet więcej. Jeśli wystarczająca ich liczba skoncentruje się w jednym obszarze, kolejne fuzje z czasem mogą utworzyć SMBH. – Problem polega na tym, że proces łączenia się zajmuje dużo czasu, a przecież Webb odkrył niezwykle masywne czarne dziury w niezwykle wczesnym okresie istnienia Wszechświata. Być może nawet zbyt wczesnym, aby proces ten mógł je wyjaśnić – powiedział van Dokkum.

I właśnie tutaj pojawia się scenariusz ciężkich ziaren SMBH o masie do miliona mas Słońca, które powstają w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się chmury gazowej. Dzieje się to szybko, bez połączeń mniejszych czarnych dziur ani etapu gwiazdowego. – Problem z tworzeniem czarnej dziury z chmury gazowej polega jednak na tym, że chmury gazowe podczas zapadania się tworzą raczej gwiazdy niż czarne dziury, więc trzeba znaleźć sposób, aby temu zapobiec. Nie jest jasne czy ten proces bezpośredniego zapadania się mógłby zadziałać w praktyce – wyjaśnia van Dokkum.

Badania Nieskończoności

Van Dokkum twierdzi, że wraz ze swoimi współpracownikami stworzył symulację opartą na obserwacjach naukowych, która wyjaśnia pochodzenie Infinity. Dwie galaktyki dyskowe zderzyły się miliardy lat temu i utworzyły struktury pierścieniowe wokół galaktyk. Zderzenie spowodowało kompresję gazu galaktyk na tyle, że powstała gęsta chmura, która zapadła się bezpośrednio w czarną dziurę.

– Istnieje sporo poszlakowych dowodów na taki scenariusz – wyjaśnił van Dokkum. – Obserwujemy duży obszar zjonizowanego gazu, a konkretnie wodoru pozbawionego elektronów, który znajduje się dokładnie pośrodku między dwoma centrami, otaczając supermasywną czarną dziurę. Wiemy również, że czarna dziura aktywnie się powiększa. Dowody na to widzimy w promieniowaniu rentgenowskim z obserwatorium rentgenowskiego Chandra należącego do NASA oraz w falach radiowych z Very Large Array. Niemniej jednak pozostaje pytanie, czy powstała właśnie tam?

– Czekamy na kolejne takie przypadki. Bo jeśli teoria powstawania SMBH w wyniku zapadnięcia się chmury gazu jest prawdziwa, to odnajdziemy więcej SMBH o takiej genezie. Dopiero mając szersze dane będziemy mogli śmiało powiedzieć, że właśnie w taki sposób mogły tworzyć się zalążki supermasywnych czarnych dziur – podsumowuje prof. Wyrzykowski.

Źródło: The Astrophysical Journal Letters

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.