Astronomi su otkrili najudaljeniju crnu rupu dosad viđenu u X-zrakama, koristeći NASA-ine teleskope. Crna rupa je u ranoj fazi rasta koja nikada prije nije bila zabilježena, gdje joj je masa slična masi galaksije u kojoj se nalazi.
Ovaj rezultat može objasniti kako su se formirale neke od prvih supermasivnih crnih rupa u svemiru.
Kombinirajući podatke iz NASA-inog Chandra X-ray Observatory i NASA-inog James Webb Space Telescope, tim istraživača uspio je pronaći karakterističan potpis rastuće crne rupe samo 470 milijuna godina nakon velikog praska.
“Akosa Bogdana iz Centra za astrofiziku | Harvard & Smithsonian (CfA) koji vodi novi rad u časopisu Nature Astronomy opisuje ove rezultate. “Potreban nam je bio Webb da bismo pronašli ovu iznimno udaljenu galaksiju i Chandra da bismo pronašli njezinu supermasivnu crnu rupu”, rekao je Akos Bogdan. “Također smo iskoristili kozmičku povećalu koja je pojačala količinu svjetlosti koju smo detektirali.” Ovaj pojačavajući efekt poznat je kao gravitacijska leća.
Bogdan i njegov tim pronašli su crnu rupu u galaksiji nazvanoj UHZ1 u smjeru galaktičkog skupa Abell 2744, koji se nalazi 3,5 milijarde svjetlosnih godina od Zemlje. Međutim, podaci Webba otkrili su da je galaksija mnogo udaljenija od skupa, na 13,2 milijarde svjetlosnih godina od Zemlje, kada je svemir bio samo 3% svoje sadašnje starosti.
Zatim su dvotjedna promatranja s Chandrom pokazala prisutnost intenzivnog, pregrijanog plina koji emitira X-zrake u ovoj galaksiji – zaštitni znak za rastuću supermasivnu crnu rupu. Svjetlost iz galaksije i X-zrake iz plina oko njezine supermasivne crne rupe uvećane su oko četiri puta materijom u Abellu 2744 (zbog gravitacijske leće), pojačavajući infracrveni signal koji je detektirao Webb i omogućujući Chandri da detektira slab izvor X-zraka.
Ovo otkriće je važno za razumijevanje kako neke supermasivne crne rupe mogu dostići kolosalne mase ubrzo nakon velikog praska. Da li se formiraju izravno iz kolapsa masivnih oblaka plina, stvarajući crne rupe teške između otprilike 10.000 i 100.000 Sunaca? Ili potječu od eksplozija prvih zvijezda koje stvaraju crne rupe teške samo između otprilike 10 i 100 Sunaca?
“Postoje fizička ograničenja koliko brzo crne rupe mogu rasti jednom kada su formirane, ali one koje su rođene masivnije imaju prednost. To je kao da sadite mladicu, koja treba manje vremena da izraste u punu veličinu stabla nego ako biste počeli samo sa sjemenom”, rekao je Andy Goulding s Princeton University. Goulding je koautor rada u Nature Astronomy i glavni autor novog rada u The Astrophysical Journal Letters koji izvještava o udaljenosti i masi galaksije koristeći spektar od Webba.
Bogdanov tim pronašao je snažne dokaze da je novo otkrivena crna rupa rođena masivna. Njena
se masa procjenjuje da je između 10 i 100 milijuna Sunaca, na temelju svjetline i energije X-zraka. Ovaj raspon masa sličan je masi svih zvijezda u galaksiji u kojoj živi, što je u oštroj suprotnosti s crnim rupama u središtima galaksija u bliskom svemiru koje obično sadrže samo oko desetinke posto mase zvijezda njihove domaćinske galaksije.
Velika masa crne rupe u mladoj dobi, plus količina X-zraka koje proizvodi i svjetlina galaksije koju je detektirao Webb, sve se slaže s teorijskim predviđanjima iz 2017. godine koautora Priyamvada Natarajan sa Yale University za “Outsize Black Hole” koji se izravno formirao iz kolapsa ogromnog oblaka plina.
“Mislimo da je ovo prvo otkriće ‘Outsize Black Hole’ i najbolji dosadašnji dokaz da se neke crne rupe formiraju iz masivnih oblaka plina”, rekla je Natarajan. “Prvi put vidimo kratku fazu gdje supermasivna crna rupa teži otprilike koliko i zvijezde u svojoj galaksiji”
Istraživači planiraju koristiti ove i druge rezultate koji pristižu od Webba i onih koji kombiniraju podatke s drugih teleskopa da bi popunili veću sliku rane svemirske povijesti.
NASA-in Hubble Space Telescope prethodno je pokazao da je svjetlost iz udaljenih galaksija visoko uvećana materijom u međuprostoru galaktičkog skupa, što je pružilo dio motivacije za opisana promatranja Webbom i Chandrom.
Rad koji opisuje rezultate Bogdanovog tima objavljen je u časopisu Nature Astronomy, a preprint je dostupan online.
Podaci Webba koji se koriste u oba rada dio su istraživanja pod nazivom Ultradeep Nirspec and nirCam ObserVations before the Epoch of Reionization (UNCOVER). Rad kojeg vodi član UNCOVER tima Andy Goulding objavljen je u Astrophysical Journal Letters. Koautori uključuju druge članove UNCOVER tima, kao i Bogdana i Natarajan. Detaljan rad o interpretaciji koji uspoređuje promatrane značajke UHZ1 s teorijskim modelima za Outsize Black Hole Galaxies uskoro će biti objavljen.
NASA-in Marshall Space Flight Center upravlja programom Chandra. Chandra X-ray Center Smithsonian Astrophysical Observatory upravlja znanstvenim operacijama iz Cambridgea, Massachusetts, i operacijama leta iz Burlingtona, Massachusetts.
James Webb Space Telescope je vodeći svjetski svemirski opservatorij za znanost. Webb rješava misterije u našem solarnom sustavu, gleda izvan toga prema udaljenim svjetovima oko drugih zvijezda i istražuje misteriozne strukture i podrijetla našeg svemira te naše mjesto u njemu. Webb je međunarodni program kojim rukovodi NASA s njenim partnerima, ESA (Europska svemirska agencija) i Canadian Space Agency (Kanadska svemirska agencija).
