Atrasta – itin masyvi juodoji skylė galaktikoje SDSS J1148+1930

Maždaug už 5 milijardų šviesmečių nuo Žemės esančioje galaktikoje SDSS J1148+1930 aptikta rekordiškai masyvi juodoji skylė, kurios masė siekia apie 36,3 milijardo Saulės masių. Šis objektas pateko tarp didžiausių iki šiol žinomų juodųjų skylių ir priartėjo prie praktinės viršutinės ribos, kurią prognozuoja astrofiziniai augimo modeliai. Palyginimui, mūsų Paukščių Tako centrinė juodoji skylė Žvaigždynas A* tesveria apie 4,3 milijono Saulės masių – žymiai mažiau nei šis naujas milžinas.

Tyrimą atlikę astronomai šį objektą vadina itin masyvia (ultramasyvia) juodąja skyle, pabrėždami neeilinę jos masę. Kaip pažymi Thomas Collett (Portsmuto universitetas): „Tai – viena iš dešimties masyviausių kada nors aptiktų juodųjų skylių, o galbūt net pati masyviausia.“ Tyrėjai pabrėžia, kad jų gauti rezultatai sumažina ankstesnių didžiausių juodųjų skylių masės įvertinimų netikslumus.

Kaip išmatuota masė: gravitacinis lęšiavimas ir žvaigždžių dinamika

SDSS J1148+1930 juodoji skylė buvo nustatyta pasitelkus gravitacinio lęšiavimo metodiką ir žvaigždžių judėjimo (kinematikos) analizę. Sistema išsiskiria įspūdinga „Kosmine Pasaga“ (Cosmic Horseshoe) – pasagos pavidalo šviesos arka, susiformavusia, kai masyvi priekinio plano galaktika išlenkia bei išdidina tolimesnę galaktiką. Tokiuose gravitaciniuose lęšiuose lęšiavimo laipsnis ir forma leidžia tiksliai nustatyti priekinio objekto, įskaitant centrinės juodosios skylės, masę.

Pagrindinis autoriaus Carlos Melo-Carneiro (Federalinis Rio Grandės do Sul universitetas) akcentuoja, kad ši juodoji skylė buvo aptikta būdama „mieganti“ – ji neaktyviai įtraukia medžiagą, todėl yra nematoma tiesiogiai, bet atsiskleidė per savo milžinišką gravitacinį poveikį aplinkinėms žvaigždėms ir foninei šviesai. Tikslus lęšiavimo arkos modeliavimas, kartu su žvaigždžių judėjimo stebėjimais netoli galaktikos centro, leidžia astronomams įvertinti bendrą galaktikos ir jos centrinės juodosios skylės masę.

Žvaigždžių kinematika – tai žvaigždžių greičių ir jų orbitinių trajektorijų tyrimas aplink galaktikos centrą. Toks monitoringas jau anksčiau padėjo tiksliai nustatyti ramybės būsenoje esančių juodųjų skylių, tokių kaip mūsų galaktikos centre, masę. Kombinuojant šiuos dinaminius metodus su detaliais lęšiavimo modeliais, buvo gautas itin tikslus SDSS J1148+1930 juodosios skylės masės vertinimas.

Mokslinis kontekstas: praktinės ribos, „fosilinės“ galaktikos ir palyginama analizė

Teoriškai juodoji skylė neturi griežtos didžiausios masės ribos. Tačiau praktikoje jos augimą riboja medžiagos gavimo tempas bei Visatos amžius (apie 13,8 mlrd. metų). Dabartiniai vertinimai rodo, kad per kosminį laiką juodoji skylė gali užaugti iki maždaug 50 mlrd. Saulės masių, tad aptiktos 36,3 mlrd. masės juodoji skylė priartėja prie šios ribos.

Ne visų gigantiškų juodųjų skylių masių vertinimai yra vienodai patikimi. Pavyzdžiui, ankstesnis kandidatas TON 618 buvo įvertintas net 66 mlrd. Saulės masių, bet vėliau, patikslinus kinematiką, suma sumažėjo iki maždaug 40 mlrd. Saulės masių. SDSS J1148+1930 atveju dėl derinamo lęšiavimo ir žvaigždžių judėjimo analizės rezultatas yra patikimesnis.

Svarbus sistemos bruožas – šią galaktiką astronomai vadina „fosile“, nes manyta, kad ji susidarė susijungus kelioms stambioms galaktikoms, išlikusioms iš buvusio gausaus galaktikų spiečiaus. Manoma, kad jų centrinės juodosios skylės taip pat susijungė, o toks procesas galimai nulėmė ir itin masyvios juodosios skylės atsiradimą.

Reikšmė galaktikų ir juodųjų skylių raidai

Šis atradimas suteikia svarbių empirinių duomenų, padedančių geriau suprasti, kaip susiformuoja pačios masyviausios juodosios skylės Visatoje. Jeigu tokios ultramasyvios juodosios skylės dažniausiai atsiranda dėl hierarchinių galaktikų ir jų centrinių juodųjų skylių susiliejimų, fosilinių galaktikų tyrimas, kaip SDSS J1148+1930, padeda atskleisti galaktikų ir juodųjų skylių evoliucijos pabaigos etapus. Šie rezultatai padeda tikslinti juodųjų skylių augimo per kaupimąsi (akreciją) bei susiliejimus modelius ir tikrina teorines masės ribas, nulemtas Visatos amžiaus bei prieinamos medžiagos.

Patobulinti masės matavimai taip pat leidžia tiksliau interpretuoti galaktikų ir juodųjų skylių sąryšio dėsningumus, pvz., masės ryšį tarp juodosios skylės ir priimančios galaktikos savybių, taip pat patikslina žvaigždžių formavimosi procesus masyviose sistemose.

Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos

Dar tiksliau nustatyti gigantiškų juodųjų skylių masę padės aukštos raiškos vaizdavimas ir spektroskopiniai stebėjimai naudojant dabartinius ir būsimus teleskopus. Tokie įrengimai kaip James Webb kosminis teleskopas (JWST), itin didelis teleskopas (ELT) ir naujos adaptuojamos optikos sistemos ant didžiųjų žemės teleskopų pagerins erdvinę rezoliuciją ir leis tiksliau analizuoti žvaigždžių judėjimą bei modeliuoti gravitacinį lęšiavimą. Didesni lęšiuotų ir fosilinių galaktikų stebinių kiekiai padės nustatyti, ar SDSS J1148+1930 yra išskirtinis atvejis, ar tik vienas iš didelės ultramasyvių juodųjų skylių populiacijos narių.

Ateityje masės įvertinimų patikimumui užtikrinti reikšminga bus sisteminga lyginamoji analizė tarp gautų rezultatų naudojant lęšiavimą, kinematiką ir reverberaciją.

Išvada

Juodoji skylė galaktikos SDSS J1148+1930 centre, kurios masė siekia apie 36,3 mlrd. Saulės masių, yra viena didžiausių iki šiol aptiktų Visatoje. Ji buvo nustatyta naudojant gravitacinį lęšiavimą ir žvaigždžių kinematiką pasagos sistemoje ir yra svarbus pavyzdys tyrinėjant, kaip susiformuoja patys didžiausi kosminiai objektai – greičiausiai per daugkartinius galaktikų ir jų skylių susiliejimus fosilinėse sistemose. Būsimi aukštos raiškos stebėjimai ir didesnės stebėtų galaktikų imtys padės atsakyti, ar tokios masyvios juodosios skylės yra retos išimtys, ar nuspėjamas galaktikų evoliucijos rezultatas.

Citatos:

• „Tai – viena iš dešimties masyviausių kada nors aptiktų juodųjų skylių, o galbūt net pati masyviausia“, – Thomas Collett, Portsmuto universitetas. • „Šis atradimas buvo padarytas itin ramiai juodajai skylei – jos egzistavimas išduotas tik dėl milžiniško gravitacinio poveikio aplinkai“, – Carlos Melo-Carneiro, Federalinis Rio Grandės do Sul universitetas.