Kosmické teleskopy vrhají nové světlo na původ supermasivních černých děr

Pomocí kosmických teleskopů Chandra a Webb objevili astronomové NASA starověkou masivní černou díru, která poskytuje vodítka o původu prvních supermasivních černých děr ve vesmíru a zpochybňuje předchozí teorie o jejich růstu. Astronomové pomocí teleskopů NASA objevili dosud nejvzdálenější černou díru pozorovanou v oboru rentgenového záření. Černá díra je v rané fázi růstu. Tento výsledek pomůže vysvětlit, jak vznikly některé z prvních supermasivních černých děr ve vesmíru.

Kombinace dat Chandry a Webbu
Kombinací dat z rentgenové observatoře Chandra a vesmírného teleskopu Jamese Webba (JWST) se týmu výzkumníků podařilo najít výmluvný podpis rostoucí černé díry pouhých 470 milionů let po Velkém třesku.

„Potřebovali jsme Webbův teleskop a družici Chandra k nalezení této pozoruhodně vzdálené galaxie a k nalezení její supermasivní černé díry,“ řekl Akos Bogdan z amerického výzkumného centra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), který publikoval nový článek v časopise Nature Astronomy popisující tyto výsledky. „Také jsme využili kosmickou lupu, která zvýšila množství světla, které jsme detekovali.“ Tento zvětšovací efekt je známý jako gravitační čočka.

Astronomové našli nejvzdálenější černou díru, jakou kdy detekovali v oboru rentgenového záření (v galaxii nazývané UHZ1) pomocí kosmických dalekohledů Chandra a Webb. Emise rentgenového záření je výmluvným podpisem rostoucí supermasivní černé díry. Tento výsledek může vysvětlit, jak vznikly některé z prvních supermasivních černých děr ve vesmíru. Snímky ukazují kupu galaxií Abell 2744, za kterou se UHZ1 nachází, v rentgenových paprscích registrovaných družicí Chandra a v infračervených datech z Webbova teleskopu, stejně jako detailní záběry galaxie UHZ1, která je hostitelem černé díry.

Měření vzdálenosti a efekty čočky
Akos Bogdan a jeho tým našli černou díru v galaxii pojmenované UHZ1 ve směru ke kupě galaxií Abell 2744, která se nachází 3,5 miliardy světelných let od Země. Data Webbova teleskopu však odhalila, že galaxie je mnohem vzdálenější než kupa, a to 13,2 miliardy světelných let od Země, kdy měl vesmír jen 3 % svého současného stáří.

Poté více než dva týdny pozorování s Chandrou ukázalo přítomnost intenzivního, přehřátého plynu emitujícího rentgenové záření v této galaxii – obchodní značka rostoucí supermasivní černé díry. Světlo z galaxie a rentgenové paprsky z plynu kolem její supermasivní černé díry jsou zvětšeny asi čtyřnásobně zásahem hmoty Abell 2744 (díky gravitační čočce), čímž se zesílí infračervený signál detekovaný Webbem a umožní Chandře detekovat slabý zdroj rentgenového záření.

Důsledky pro vznik černých děr

Tento objev je důležitý pro pochopení toho, jak mohou některé supermasivní černé díry brzy po Velkém třesku dosáhnout kolosálních hmotností. Vznikají přímo z kolapsu masivních mračen plynu a vytvářejí černé díry o hmotnosti mezi 10 000 a 100 000 Slunci? Nebo pocházejí z výbuchů prvních hvězd, které vytvářejí černé díry o hmotnosti pouze mezi 10 a 100 Slunci?

„Existují fyzikální limity toho, jak rychle mohou černé díry růst, jakmile se zformují, ale ty, které se rodí masivnější, mají náskok. Je to jako zasadit stromek, kterému zabere méně času, než vyroste v strom plné velikosti, než kdybyste začali pouze se semenem,“ řekl Andy Goulding z Princetonské univerzity. Goulding je spoluautorem článku v Nature Astronomy a hlavním autorem nového článku v The Astrophysical Journal Letters, který uvádí vzdálenost a hmotnost galaxie pomocí spektra z Webbova teleskopu.

Důkaz o zrozené masivní černé díře
Bogdanův tým našel přesvědčivé důkazy, že nově objevená černá díra se zrodila již masivní. Její hmotnost se odhaduje na 10 až 100 milionů Sluncí na základě jasu a energie rentgenového záření. Tento hmotnostní rozsah je podobný jako u všech hvězd v galaxii, kde žije, což je v ostrém kontrastu s černými dírami v centrech galaxií v blízkém vesmíru, které obvykle obsahují jen asi desetinu procenta jejich hmotnosti.

Velká hmotnost černé díry v mladém věku plus množství rentgenového záření, které produkuje, a jas galaxie detekovaný Webbovým teleskopem, to vše souhlasí s teoretickými předpověďmi z roku 2017 od spoluautorky Priyamvady Natarajanové z Yale University pro „Outsize Black Hole“, která přímo vznikla kolapsem obrovského oblaku plynu. „Domníváme se, že toto je první detekce 'Outsize Black Hole' a nejlepší dosud získaný důkaz, že některé černé díry vznikají z masivních mračen plynu,“ řekla Natarajanová.

Budoucí výzkum a společné úsilí
Výzkumníci plánují použít tento a další výsledky získané z Webbova teleskopu a těch, které kombinují data z jiných dalekohledů, k vyplnění většího obrazu raného vesmíru. Hubbleův vesmírný teleskop HST již dříve ukázal, že světlo ze vzdálených galaxií je značně zvětšeno hmotou v mezilehlé kupě galaxií, což poskytuje část motivace pro zde popsaná pozorování z Webbova teleskopu a teleskopu Chandra.

Zdroj: https://scitechdaily.com/from-the-universes-dawn-nasas-discovery-sheds-new-light-on-supermassive-black-hole-origins/ a https://chandra.harvard.edu/photo/2023/uhz1/

autor: František Martinek