Космически апетит: Черна дупка поглъща материята 40 пъти по-бързо от очакваното

Свръхмасивните черни дупки, едни от най-тайнствените обитатели на космоса, обикновено се намират в центровете на повечето галактики, а масата им е десетки и стотици милиарди от масата на нашето Слънце. Когато обаче става въпрос за черни дупки, образувани в ранната Вселена – т.е. през първите стотици и милиарди години след Големия взрив – астрономите вдигат ръце: въпросът защо тези обекти са достигнали огромни размери за толкова кратък период от време все още няма отговор. Масло в огъня наляха резултатите от ново изследване, чиито автори, с помощта на космическия телескоп „Джеймс Уеб“, откриха в сърцето на древна галактика черна дупка с малка маса, която обаче поглъща материята със скорост 40 пъти по-висока от т.нар. граница на Едингтън.

Струпване на древни галактики

Откакто космическата обсерватория James Webb (Джеймс Уеб) започна работа, астрономите съобщиха за откриването на голям брой галактики, които са се формирали малко след раждането на Вселената. Така например преди това телескопът наблюдава три отдалечени галактики, които са се формирали най-малкото 300 милиона години след Големия взрив. Тези числа означават, че светлината, уловена от „Уеб“, е пътувала към него около 13,5 милиарда години.

Да припомним, че за един от основните инструменти на този космически телескоп се смята инфрачервеният спектрограф NIRcam, чиято висока чувствителност дава възможност за улавяне на излъчването, идващо дори от най-отдалечените обекти. Именно с негова помощ международен екип от изследователи, ръководен от астронома Хьойон Сух от обсерваторията „Джемини“, успя да изучи „ненаситната“ черна дупка с малка маса.

Проучване, публикувано неотдавна в списание Nature Astronomy, разкрива, че в центъра на галактика, формирана само 1,5 милиарда години след раждането на Вселената, се е намирал изключително необичаен обект, наречен LID-568, който е поглъщал материя със скорост, надвишаваща теоретичните граници. Откритието дава нова информация за механизмите на бързия растеж на черните дупки в ранната Вселена.

Трябва да се отбележи, че за първи път група галактики, в която има черна дупка, е открита от изследователите с помощта на космическата обсерватория „Чандра“ на НАСА в рентгеновия диапазон. Тези данни обаче не бяха достатъчни, за да се определи точното местоположение както на галактиката, така и на нейния централен обект. Да се справи с тази задача, както бе споменато по-горе, успя NIRcam, инсталирана на борда на „Уеб“.

Гладното космическо „чудовище“

Наблюдавайки група древни галактики, първо с Chandra, а след това и с Webb, екип от астрономи направи неочаквано откритие – оказа се, че в близост до LID-568 има мощни газови емисии. Размерът и скоростта на емисиите накараха екипа да смята, че наблюдаваната от тях черна дупка е нараснала значително по размер в резултат на единичен широкомащабен епизод на акреция (т.е. поглъщане на материя).

Последвалият анализ на данните показа, че LID-568 е изключително „ненаситна“ и поглъща материя със скорост 40 пъти по-висока от така наречената граница на Едингтън. Смята се, че последната определя максималната светимост, наблюдавана в близост до черна дупка, и количеството вещество, което това космическо чудовище може да погълне, за да поддържа равновесие между гравитационното привличане и лъчевото налягане, произтичащо от нагрятата падаща материя.

„Тази черна дупка си е устроила истински пир, което показва, че механизмът на бързо „хранене“ над границата на Едингтън е едно от възможните обяснения за това защо наблюдаваме масивни черни дупки в ранната Вселена“, обяснява Джулия Шарвехтер, съавтор на новото изследване.

Интересно е да се отбележи, че LID-568 е черна дупка с малка маса, а новото откритие подсказва как са се формирали по-масивните космически чудовища в ранната Вселена. Според съществуващите теории тези обекти се образуват от по-малки черни дупки, така наречените „семена“, които възникват след смъртта на първите звезди (леки семена) или при директния колапс на газови облаци (тежки семена). До неотдавна тези предположения не се подкрепяха от данните от наблюденията и не можеха да обяснят как „семената“ се превръщат в свръхмасивни черни дупки.

Авторите на тази научна работа отбелязват, че откриването на черна дупка с малка маса и свръхедингтонова акреция предполага значително увеличаване на масата на обекта в рамките на еднократно и бързо поглъщане на материала (независимо от това от какво „семе“ – тежко или леко – е произлязла LID-568).

По какъв начин черните дупки натрупват маса?

Газовите изхвърляния около центъра на LID-568, които екипът открива с помощта на данни от наблюдения, се движат със скорост около 500-600 км/сек. и действат като „клапан“, който предотвратява дестабилизирането на системата, като дава възможност на енергията, генерирана от екстремната акреция, да изтече. Това напълно случайно и неочаквано откритие добави нови, полезни данни към разбирането на механизма на растеж на черните дупки в ранната Вселена.

В бъдеще откритието на LID-568 ще помогне на астрономите да обяснят как във Вселената скоро след Големия взрив са се формирали широкомащабни структури като галактики и свръхмасивни черни дупки. Авторите на новото изследване отбелязват, че ще могат да изследват и честотата на подобни екстремни космически явления, както и тяхната роля в еволюцията на галактиките.

„Това е вълнуващо време за науката. С всяко ново откритие се доближаваме до разбирането на начина, по който функционира Вселената, и на нейната еволюция през първия милиард години от съществуването ѝ“, обобщават авторите на откритието.

По този начин ненаситната черна дупка LID-568 и нейната феноменална скорост на акреция, противоречат на съществуващите теории и позволяват на изследователите да се доближат до решаването на един от най-важните проблеми на астрофизиката.

Необичайни галактики, черни дупки и звездни системи

По-рано учени физици от Масачузетския технологичен институт (MIT) и Калифорнийския технологичен институт откриха необичайна тройна система, в центъра на която освен две звезди има и черна дупка. Първото светило, както се оказа, е близо до черната дупка и прави оборот около нея на всеки 6,5 дни, докато втората звезда е много по-далеч – за да направи един пълен оборот, са ѝ необходими 70 000 години.

Откритията, публикувани в списание Nature, също така оспорват общоприетото схващане за начина, по който се формират черните дупки: фактът, че една далечна звезда е гравитационно свързана с черна дупка, предполага, че това космическо чудовище не се е формирало в резултат на избухване на свръхнова, а като директен колапс – т.е. по-мек процес, при който самата звезда се разпада, без да се взривява, и дава възможност на всички далечни обекти да останат в нейната орбита.

Смята се, че повечето черни дупки се образуват в резултат на избухване на звезди, но получените резултати поставят под съмнение тази теория. Откритата система е интересна не само от гледна точка на еволюцията на черните дупки, но и от гледна точка на съществуването на подобни тройни системи във Вселената.

/Още едно впечатляващо откритие напоследък е черна дупка, намираща се в сърцето на древната галактика GS-10578 (или Галактиката Пабло), която гладува в родния си „дом“, лишавайки галактиката от газ, необходим за формирането на нови звезди. Трябва да се отбележи, че процесът, който спира образуването на звезди, помага на учените да разберат по-добре как са еволюирали галактиките във времето.

„GS-10578 е възникнала около два милиарда години след Големия взрив, но в нея почти никога не се образуват нови звезди. Такива обекти наричаме „мъртви“ – обобщават авторите на изследването.

Трябва да се има предвид, че повечето звезди, чиято маса е около 200 милиарда пъти по-голяма от масата на Слънцето, са се образували преди 12,5-11,5 милиарда години. По този начин GS-10578 е уникална за ранната Вселена галактика. Резултатите от изследването са представени в списание Nature Astronomy.