Ενώ χτενίζουν μερικούς από τους παλαιότερους γαλαξίες στο σύμπαν, οι ερευνητές ανακάλυψαν έναν γαλαξία που φαίνεται να περιέχει μια κεντρική μαύρη τρύπα που τροφοδοτεί ενεργά. Με βάση την ποσότητα της ακτινοβολίας που εκπέμπει, οι ερευνητές εκτιμούν ότι αντιπροσωπεύει περίπου τη μισή μάζα ολόκληρου του γαλαξία, η οποία είναι εκπληκτικά υψηλή σε σύγκριση με τους σύγχρονους γαλαξίες.
Το γεγονός ότι ένα τόσο μεγάλο αντικείμενο θα μπορούσε να υπάρχει μόνο μισό δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη θέτει αυστηρούς περιορισμούς στον τρόπο σχηματισμού του, υποδηλώνοντας έντονα ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σχηματίστηκαν χωρίς να περάσουν από ένα ενδιάμεσο βήμα που περιλαμβάνει ένα αστέρι.
Παλιές ακτινογραφίες
Οι πρώτοι γαλαξίες που γνωρίζουμε στο σύμπαν αναγνωρίστηκαν χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το οποίο εκμεταλλεύτηκε ένα σμήνος γαλαξιών στο προσκήνιο που έκανε μεγέθυνση σε μακρινούς γαλαξίες μέσω βαρυτικού φακού. Χρησιμοποιώντας τον φακό που παρέχεται από μια συγκεκριμένη διάταξη, ο Webb αναγνώρισε 11 γαλαξίες που απεικονίστηκαν επειδή υπήρχαν λιγότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Μια διεθνής ομάδα αστρονόμων αποφάσισε να εξετάσει αυτούς τους γαλαξίες για να επιβεβαιώσει την ύπαρξη υπερμεγέθων μαύρων οπών που βρίσκονται στο κέντρο των σύγχρονων γαλαξιών. Όταν αυτοί οι γαλαξίες τρέφονται, εκπέμπουν άφθονες ποσότητες ακτίνων Χ, έτσι οι ερευνητές στράφηκαν στο Παρατηρητήριο ακτίνων Χ Chandra, το χρησιμοποίησαν για να απεικονίσουν την περιοχή με το φακό και συνέκριναν τις θέσεις των πηγών με εκείνες στους γαλαξίες που εντόπισε ο Webb. Για να συλλέξει αρκετά δεδομένα, ο Chandra πέρασε έως και δύο εβδομάδες φωτογραφίζοντας μια τοποθεσία.
Υπήρχε μια ξεκάθαρη αντιστοίχιση με έναν γαλαξία που ονομάζεται UHZ1, ο οποίος μεγεθύνθηκε σχεδόν τέσσερις φορές με βαρυτικό φακό. Οι ακτίνες Χ από αυτή τη θέση ξεχώρισαν πάνω από το φόντο κατά τέσσερις τυπικές αποκλίσεις. (Μπορεί να υπάρχουν πληροφορίες σχετικά με ακτίνες Χ που σχετίζονται με τους άλλους 10 γαλαξίες, αλλά οι ερευνητές λένε ότι θα τις δημοσιεύσουν ξεχωριστά.) Το UHZ1 βρίσκεται σε μετατόπιση προς το κόκκινο z=10, πράγμα που σημαίνει ότι το εξετάζουμε καθώς υπήρχε περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
Η ποσότητα ενέργειας που προέρχεται από αυτή την πηγή ακτίνων Χ αντιστοιχεί σε ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες, που είναι αντικείμενα που αντλούν την ενέργειά τους από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που βρίσκεται στο κέντρο του γαλαξία. Με βάση τα μήκη κύματος που ανιχνεύθηκαν, οι ερευνητές πιστεύουν ότι το αντικείμενο περιέχεται σε ένα κέλυφος σκόνης και αερίου εντός του γαλαξία-ξενιστή του.
Πόσο γρήγορα τρώει μια μαύρη τρύπα;
Για να κατανοήσετε αυτά τα αποτελέσματα, πρέπει να κατανοήσετε το όριο Eddington, το οποίο καθορίζει πόσο γρήγορα μια μαύρη τρύπα συγχωνεύει υλικό από το περιβάλλον της. Πήρε το όνομά του Άρθουρ Έντινγκτον, που έκανε τους πρώτους υπολογισμούς σε αυτό, το όριο καθορίστηκε από το γεγονός ότι η ύλη πρέπει να χάσει ενέργεια για να πέσει στη μαύρη τρύπα, διαφορετικά θα παρέμενε απλώς σε τροχιά γύρω από αυτήν. Αυτή η ενέργεια θα χαθεί ως ακτινοβολία, η οποία θα απορροφηθεί από την κοντινή ύλη και θα ωθηθεί μακριά από τη μαύρη τρύπα.
Ως αποτέλεσμα, ακόμα κι αν υπάρχει άφθονο υλικό διαθέσιμο για να τραφεί μια μαύρη τρύπα, η διατροφή της καταλήγει να είναι περιορισμένη: τρέφεται με πάρα πολύ και η ακτινοβολία πνίγει την τροφή της. Έτσι, δεδομένης της μάζας της μαύρης τρύπας, το όριο του Eddington μπορεί να υπολογιστεί ως η μέγιστη ποσότητα ύλης που μπορεί να κρατήσει σε έναν δεδομένο χρόνο.
Υπάρχουν τρόποι υπέρβασης του ορίου Eddington εάν το υλικό κατευθύνεται προς τη μαύρη τρύπα. Αλλά αυτά απαιτούν πολύ συγκεκριμένες συνθέσεις αερίου που τροφοδοτούν το υλικό ακριβώς κάτω από το φρεάτιο της βαρύτητας, επομένως η υπερτροφοδοσία του Eddington θεωρείται μια προσωρινή εκτροπή.
Ο πρώτος τρόπος με τον οποίο μπαίνει στο παιχνίδι το όριο του Eddington είναι ότι βοηθά τους ερευνητές να εκτιμήσουν το μέγεθος της μαύρης τρύπας. Δεδομένης της ποσότητας ενέργειας που εκπέμπει και υποθέτοντας ότι τροφοδοτείται στο όριο Eddington, μπορείτε να βάλετε ένα χαμηλότερο όριο στη μάζα της μαύρης τρύπας (αν τροφοδοτούσε κάτω από το όριο Eddington, θα ήταν βαρύτερο). Με βάση αυτόν τον υπολογισμό, η μαύρη τρύπα στο UHZ1 πρέπει να είναι τουλάχιστον 107 φορές τη μάζα του ήλιου.
Με βάση τις εκτιμήσεις της μάζας των αστεριών στο UHZ1, αυτό υποδηλώνει ότι η κεντρική μαύρη τρύπα αντιπροσωπεύει τη μισή μάζα του γαλαξία. Ή για να το θέσω αλλιώς, η μαύρη τρύπα είναι σχεδόν τόσο μεγάλη όσο όλα τα άλλα στον γαλαξία μαζί.
Στο σημερινό σύμπαν, οι κεντρικές υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αντιπροσωπεύουν μόνο περίπου το 0,1% της μάζας των γαλαξιών τους. Έτσι, αυτό υποδηλώνει ότι καταγράψαμε το UHZ1 σε πολύ πρώιμο στάδιο της ανάπτυξής του, κάτι που δεν προκαλεί έκπληξη, δεδομένης της ηλικίας του.
Πώς να φτιάξετε μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα
Αυτό το έργο έχει επίσης σημαντικές επιπτώσεις για το σχηματισμό υπερμεγέθων μαύρων τρυπών. Υπήρχαν δύο ιδέες για το πώς θα μπορούσε να αναπτυχθεί κάτι τέτοιου μεγέθους. Μια ιδέα είναι ότι τα πρώτα αστέρια ήταν πολύ μεγάλα και ότι σχημάτιζαν ασυνήθιστα μεγάλες μαύρες τρύπες. Αυτά θα είχαν αναπτυχθεί γρήγορα μέσω συγχωνεύσεων, τροφοδοτώντας το πυκνό περιβάλλον αερίου που υπήρχε στους πρώτους γαλαξίες.
Η αντίθετη άποψη είναι ότι αυτή η ανάπτυξη θα είχε συμβεί πολύ αργά. Αντίθετα, οι άνθρωποι υποστηρίζουν ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες ήταν πάντα πολύ μεγάλες και σχηματίστηκαν πολύ νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος μέσω της άμεσης κατάρρευσης εξαιρετικά πυκνών νεφών αερίου.
Οι ερευνητές έκαναν τους υπολογισμούς, υποθέτοντας ότι η μαύρη τρύπα σχηματίστηκε περίπου 200 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Βρήκαν ότι μια μαύρη τρύπα που σχηματίστηκε από την άμεση κατάρρευση ενός νέφους αερίου θα έπρεπε να τροφοδοτηθεί στο όριο του Έντινγκτον σε όλη την ιστορία της για να φτάσει τη μάζα αυτής που βρέθηκε στο UHZ1. Αντίθετα, μια μαύρη τρύπα που δημιουργήθηκε από ένα σουπερνόβα ενός από τα πρώτα αστέρια θα έπρεπε να τρέφεται με διπλάσια τιμή από το όριο του Έντινγκτον σε όλη την ιστορία της.
Αυτή η ανάλυση δεν λαμβάνει υπόψη τις συγχωνεύσεις, αλλά οι ερευνητές επισημαίνουν ότι μια μικρότερη μαύρη τρύπα θα είχε σχετικά μικρή βαρυτική έλξη, επομένως δεν θα ήταν σε θέση να συλλάβει τόσους από τους γείτονές της για να συγχωνευθεί. Αν και η υπερτροφοδοσία του Έντινγκτον είναι δυνατή, είναι απίθανο να διαρκέσει για τα εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια που απαιτούνται για την κατασκευή μιας μαύρης τρύπας αυτού του μεγέθους.
Είναι σημαντικό να αντιμετωπίζουμε αυτό το αποτέλεσμα με κάποια προσοχή, καθώς είναι η πρώτη υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που μπορέσαμε να υποβάλουμε σε αυτού του είδους την ανάλυση. Αλλά καθώς ο Webb χρησιμοποιείται για να μάθουμε περισσότερα από αυτούς τους πρώιμους γαλαξίες, πιθανότατα θα είμαστε σε θέση να αναπτύξουμε ένα πλήρες σύνολο πρώιμων μαύρων οπών για ανάλυση. Αυτό μπορεί τελικά να μας δώσει μια σαφέστερη εικόνα του σχηματισμού και της ανάπτυξής του.
Natural Astronomy, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-02111-9 (Περί ψηφιακών ταυτοτήτων).
“Ερασιτέχνης διοργανωτής. Εξαιρετικά ταπεινός web maven. Ειδικός κοινωνικών μέσων Wannabe. Δημιουργός. Thinker.”