Supermasivní černá díra pohlcuje materiál 40x rychleji, než se očekávalo

Umělecká ilustrace ukazuje rychle se krmící černou díru, která vyzařuje silné výtrysky plynu. Na základě dat z JWST a rentgenové observatoře Chandra objevil tým astronomů americké Národní vědecké nadace NOIRLab tuto černou díru o malé hmotnosti asi 7,2 milionu ekvivalentu Slunce v centru galaxie pouhých 1,5 miliardy let po Velkém třesku. Ta pohlcuje hmotu fenomenální rychlostí – více než 40násobkem teoretického limitu. Tato černá díra sice žije krátce, ale její „hostina“ by mohla astronomům pomoci vysvětlit, jak supermasivní černé díry v raném vesmíru tak rychle rostly.

Astronomové pomocí vesmírného teleskopu Jamese Webba objevili supermasivní černou díru LID-568, která se krmí 40násobnou rychlostí než její Eddingtonova mezní hodnota a která se objevila pouhých 1,5 miliardy let po Velkém třesku. Toto výjimečné pozorování přineslo nové poznatky o růstu černých děr z počátečních „semen“ a zpochybňuje současné teorie svou rychlou akrecí a mohutnými výtrysky.

Supermasivní černé díry se nacházejí v centru většiny galaxií a moderní teleskopy je začaly pozorovat překvapivě brzy v historii vesmíru. Pochopení toho, jak tyto černé díry tak rychle narostly, bylo velkou výzvou. Nedávno však astronomové objevili supermasivní černou díru s nízkou hmotností, která rychle pohlcuje okolní materiál pouhých 1,5 miliardy let po Velkém třesku, což nabízí nové poznatky o tom, jak mohly černé díry v raném vesmíru tak rychle růst.

Objevování LID-568
Černou díru s názvem LID-568 identifikoval mezinárodní tým astronomů pod vedením Hyewon Suhové z Mezinárodní observatoře Gemini/NSF NOIRLab. Pomocí vesmírného dalekohledu Jamese Webba tým studoval skupinu galaxií vybraných ze staršího průzkumu COSMOS observatoře Chandra X-ray Observatory. Přestože jsou tyto galaxie extrémně jasné v oboru rentgenového záření, zůstávají neviditelné v optickém a blízkém infračerveném světle. Díky výjimečné citlivosti JWST v infračerveném oboru mohli astronomové detekovat slabé emise těchto galaxií, včetně nově objevené LID-568.

LID-568 se ve vzorku vyznačovala intenzivní rentgenovou emisí, ale její přesnou polohu nebylo možné určit pouze na základě pozorování v rentgenovém záření, což vyvolalo obavy o správné vycentrování cíle v zorném poli JWST. Vědci z oddělení podpory přístrojů JWST proto navrhli, aby tým Suhové místo tradiční štěrbinové spektroskopie použil spektrograf integrálního pole na přístroji NIRSpec na JWST. Tento přístroj dokáže získat spektrum pro každý pixel v zorném poli přístroje, místo aby byl omezen na úzký výsek.

Umělecká ilustrace ukazuje červenou trpasličí galaxii z raného vesmíru, která ve svém středu hostí rychle se krmící černou díru. Na základě dat z JWST a rentgenové observatoře Chandra objevil tým astronomů americké Národní vědecké nadace NOIRLab tuto černou díru o malé hmotnosti v centru galaxie pouhých 1,5 miliardy let po Velkém třesku. Ta pohlcuje hmotu fenomenální rychlostí – více než 40násobkem teoretického limitu. Tato černá díra sice žije krátce, ale její „hostina“ by mohla astronomům pomoci vysvětlit, jak supermasivní černé díry v raném vesmíru tak rychle rostly.

Průlom ve výzkumu černých děr
„Vzhledem k tomu, že LID-568 je slabá, její detekce by bez JWST nebyla možná. Použití spektrografu s integrálním polem bylo inovativní a nezbytné pro získání našeho pozorování,“ říká Emanuele Farina, astronom Mezinárodní observatoře Gemini/NSF NOIRLab a spoluautor článku, který 4. listopadu 2024 vyšel v časopise Nature Astronomy.

Přístroj NIRSpec na JWST umožnil týmu získat úplný přehled o cíli a jeho okolí, což vedlo k nečekanému objevu silných výtrysků plynu kolem centrální černé díry. Rychlost a velikost těchto výtrysků vedla tým k závěru, že podstatná část nárůstu hmoty LID-568 se mohla odehrát během jediné epizody rychlé akrece. „Tento náhodný výsledek dodal našemu chápání systému nový rozměr a otevřel nám vzrušující možnosti zkoumání,“ říká Hyewon Suhová.

Krmení za hranicemi možností
Hyewon Suhová a její tým zjistil, že LID-568 se zřejmě krmí hmotou rychlostí 40krát vyšší, než je její Eddingtonův limit. Tato mez se vztahuje k maximální svítivosti, které může černá díra dosáhnout, a také k tomu, jak rychle může pohlcovat hmotu tak, aby její vnitřní gravitační síla a vnější tlak generovaný teplem stlačené, vnikající hmoty zůstaly v rovnováze. Když byla vypočtena svítivost LID-568 o tolik vyšší, než je teoreticky možné, tým věděl, že má ve svých datech něco pozoruhodného.

„Tato černá díra má hostinu,“ říká astronomka z Mezinárodní observatoře Gemini/NSF NOIRLab a spoluautorka Julia Scharwächterová. „Tento extrémní případ ukazuje, že mechanismus rychlého krmení nad Eddingtonovou mezí je jedním z možných vysvětlení, proč pozorujeme tyto velmi těžké černé díry tak brzy ve vesmíru.“

Tyto výsledky poskytují nový pohled na vznik supermasivních černých děr z menších „zárodků“, které podle současných teorií vznikají buď zánikem prvních hvězd ve vesmíru (lehké zárodky), nebo přímým kolapsem oblaků plynu (těžké zárodky). Až dosud tyto teorie postrádaly potvrzení z pozorování. „Objev super-Eddingtonovy akreční černé díry naznačuje, že k významnému nárůstu hmoty může dojít během jediné epizody rychlého krmení bez ohledu na to, zda černá díra vznikla z lehkého nebo těžkého semene,“ říká Suhová.

Objev LID-568 také ukazuje, že je možné, aby černá díra překročila svou Eddingtonovu mez, a poskytuje astronomům první příležitost studovat, jak k tomu dochází. Je možné, že silné výrony pozorované u LID-568 mohou fungovat jako uvolňovací ventil pro přebytečnou energii vzniklou extrémní akrecí a bránit tak systému, aby se stal příliš nestabilním. Pro další zkoumání mechanismů, které jsou ve hře, plánuje tým následná pozorování pomocí JWST.

Zdroj: https://scitechdaily.com/defying-physics-supermassive-black-hole-devours-40x-faster-than-expected/ a https://noirlab.edu/public/news/noirlab2427/

autor: František Martinek