Teleskop Webba zważył odległą uśpioną czarną dziurę
Astronomowie po raz pierwszy zmierzyli masę nieaktywnej czarnej dziury w odległym zakątku Wszechświata. I zrobili to z zaskakującą precyzją. Obiekt w galaktyce MRG-M0138 okazał się kolosem o masie 6 miliardów mas Słońca, obserwowanym w epoce, gdy Wszechświat miał zaledwie 3 miliardy lat, czyli około jednej czwartej swojego obecnego wieku. To najbardziej odległa nieaktywna czarna dziura, której masę zmierzono. Poprzednia rekordzistka znajdowała się 15-krotnie bliżej.
Odkrycie, opublikowane w piśmie Science przez międzynarodowy zespół pod kierownictwem Andrew Newmana z Carnegie Science, to ważne osiągnięcie naukowe. Dotychczas masę odległych czarnych dziur mierzono niemal wyłącznie dla aktywnych obiektów, kwazarów, które pochłaniają otaczający gaz i świecą z olbrzymią jasnością. Są łatwe do wykrycia, bo należą do najjaśniejszych struktur we Wszechświecie. Problem w tym, że oślepiające światło aktywnego jądra galaktycznego przesłania macierzystą galaktykę, utrudniając precyzyjne pomiary. Czarna dziura w MRG-M0138 jest natomiast uśpiona: nic do niej nie wpada, żadne promieniowanie nie zdradza jej obecności. Można ją wykryć jedynie pośrednio – śledząc ruch gwiazd w jej otoczeniu. Dotychczas technikę tę stosowano z powodzeniem do czarnych dziur w galaktykach odległych o nie więcej niż 200 megaparseków, czyli około 650 milionów lat świetlnych. MRG-M0138 leży ponad 10 miliardów lat świetlnych od Ziemi.
Właśnie tę metodę zastosowano po raz pierwszy w odniesieniu do tak odległego obiektu. Gwiazdy krążące wokół czarnej dziury poruszają się tym szybciej, im bardziej masywny jest obiekt, wokół którego krążą. Porównując prędkości gwiazd bliskich centrum z tymi dalszymi, astronomowie potrafią wyliczyć masę niewidocznego obiektu.
Kluczem do sukcesu było połączenie dwóch narzędzi. Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba dostarczył spektrów o wyjątkowej jakości z instrumentu NIRSpec – spektrografu działającego w podczerwieni. Dzięki niemu astronomowie uzyskali mapy prędkości gwiazd w 219 przestrzennych wycinkach galaktyki, co stanowi ogromny postęp w porównaniu z dotychczasowymi obserwacjami odległych galaktyk. Samo JWST jednak nie wystarczyłoby, galaktyka jest zbyt odległa, by rozróżnić szczegóły potrzebne do precyzyjnych pomiarów.
Tu z pomocą przyszło soczewkowanie grawitacyjne. Leżąca na linii obserwacji gromada galaktyk MACS J0138.0–2155 zakrzywia przestrzeń niczym szkło powiększające, tworząc cztery osobne obrazy tej samej galaktyki i powiększając ją około 29-krotnie.
Wyniki zaskoczyły badaczy. Czarna dziura jest nieproporcjonalnie masywna w stosunku do otaczających ją gwiazd. Stosunek jej masy do masy całej galaktyki jest dziesięciokrotnie wyższy niż u podobnych obiektów z tej samej epoki rozwoju wszechświata. Symulacje komputerowe rzadko pokazują układy o takich parametrach: spośród 635 galaktyk o podobnej masie gwiazdowej w symulacji ASTRID tylko dwie zawierały równie masywną czarną dziurę. To sugestia, że wczesny wzrost czarnej dziury w MRG-M0138 przebiegał wyjątkowo wydajnie, być może za sprawą gwałtownego zderzenia galaktyk.
Co czeka MRG-M0138 w przyszłości? Astronomowie przewidują, że galaktyka podwoi swoją masę gwiazdową między epoką obserwacji a dniem dzisiejszym. Stanie się to głównie przez kolejne zderzenia z galaktykami. Jeśli te zderzenia będą ubogie w gaz, czarna dziura nie urośnie znacząco, a prędkość dyspersji gwiazd nie zmieni się drastycznie. Galaktyka ewoluuje zatem ku lokalnym olbrzymom eliptycznym, podobnym do słynnej M87, której czarna dziura jako pierwsza została sfotografowana przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń.
Odkrycie otwiera nowy rozdział w badaniach nad ewolucją galaktyk i czarnych dziur. Przez dekady astronomowie byli skazani na pomiary aktywnych jąder galaktycznych, obarczone niepewnościami sięgającymi rzędu wielkości. Teraz, łącząc możliwości JWST z soczewkowaniem grawitacyjnym, można sięgać po najbardziej reprezentatywną populację – uśpione czarne dziury. Przyszłe teleskopy pozwolą stosować tę metodę jeszcze powszechniej, bez potrzeby trafienia na wyjątkowe układy soczewkujące, otwierając drogę do pełnego spisu czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie.
Komentarze (0)