6 Minutės
Greitai auganti juodoji skylė pirmuosiuose milijarde metų
Astronomų komanda aptiko supermasyvią juodąją skylę kvazaro gimtojoje galaktikoje RACS J0320-35, kuri, atrodo, kaupiasi medžiagą maždaug 2,4 karto virš teorinio Eddingtono ribos. Esanti maždaug 920 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, ši objektas suteikia retą stebimųjų įrodymą vadinamai super-Eddington akrecijai — trumpalaikei, ekstremaliai intensyviai „pavalgymo“ fazei, kuri gali paaiškinti, kaip pirmosios supermasyvios juodosios skylės taip anksti kosmologinėje istorijoje pasiekė milijonų ar net milijardų Saulės masių dydžius.
Stebėjimas yra reikšmingas, nes ankstyvojoje visatoje laikas yra ribotas: išlaikyti nuolatinį, Eddington riboto augimo tempą iki tokių masių būtų sudėtinga. Super-Eddington epizodai siūlo kitą kelią — greitus ir trumpalaikius augimo priepuolius, kurie gali greitai padidinti juodosios skylės masę. Ši sritis aktyviai tiriama, nes pastebėjimai kaip RACS J0320-35 padeda sieti teorines versijas su realiais duomenimis.
Atrankos ir daugiaspektrinės stebėsenos istorija
RACS J0320-35 pirmą kartą buvo pažymėta giliose rentgeno spindulių stebėsenose, atliktose NASA Chandra rentgeno observatorija 2023 m., kur objektas išsiskyrė kaip neįprastai ryškus tarp pirmųjų milijardo metų po Didžiojo sprogimo esantčių šaltinių. Pirminis rentgeno aptikimas paskatino tolesnes radijo stebėsenas, naudojant Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT), Australia Telescope Compact Array (ATCA) ir Australian Long Baseline Array (LBA).
Sujungus rentgeno ir radijo duomenis su kitomis turimomis fotometrijos matavimais, tyrėjai pajėgė atkurti šaltinio spektrinę energijos pasiskirstymo kreivę (SED) per plačią elektromagnetinio spektro dalį — nuo radijo iki optinio/infrared ir rentgeno juostų. Tokia daugiaspektrinė analizė leidžia atskirti įtakos šaltinius ir suprasti akrecijos geometriją bei radiacinę efektyvumą.
Išsamus SED modeliavimas parodė gerą atitikimą super-Eddington akrecijos disko šablonams. Pirmasis autorius, astrofizikas Luca Ighina (Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics), kartu su kolegomis palygino stebimą spinduliavimą radijo, optinėse/infraraudonųjų ir rentgeno juostose su teoriniais prognozėmis akrecijos tempus viršijančioms Eddington riboms, ir rado nuoseklumą su apytiksliai 2,4 karto didesniu nei klasikinė riba akrecijos greičiu.
Menininko vizija, vaizduojanti RACS J0320-35 intensyviai šviečiant. (NASA/CXC/SAO/M. Weiss)
Ką reiškia Eddingtono riba ir kodėl jos pažeidimas svarbus
Eddingtono riba apibrėžia maksimalų stabilų spinduliuotės lygį (o kartu ir masės kaupimosi greitį), kuriame išorinis radiacinis slėgis nuo krentančios dujos subalansuoja vidinį gravitacinį trauką. Paprasčiau tariant, jei juodosios skylės akrecijos diskas šviečia per ryškiai, radiacinis srautas gali išpūsti arba išstūmti aplink esančią medžiagą ir sustabdyti tolimesnį augimą. Super-Eddington akrecija apibūdina pereinamuosius etapus, kuriuose kritimas trumpam aplenkia radiacijos grįžtamąjį ryšį ir leidžia labai greitai priaugti masės.
Techniniu požiūriu Eddingtono šviesumas L_Edd priklauso nuo juodosios skylės masės: L_Edd ~ 1.3×10^38 (M/M☉) erg s−1. Tai reiškia, kad masyvesnė skylė turi didesnį „leistiną“ šviesumą, tačiau jei pastebimas spinduliavimas žymiai viršija šią ribą, reikia aiškinti fizines mechanikas, leidžiančias akrecijos srautui pasiekti tokį intensyvumą. Galimos paaiškinimo kryptys apima „plonų“ arba „storių“ diskų modelius, anisotropinį spinduliavimą (beaming), radiacinį slopinimą per srautus ar stiprias vėjo išmetimo struktūras, kurios keičia matavimų interpretaciją.
Super-Eddington fazės yra vienas iš pagrindinių teorinių sprendimų ilgai trukusiai kosmologinei mįslei: kaip supermasyvios juodosios skylės galėjo susiformuoti taip greitai, kai pastovus augimas Eddington riboje reikalautų žymiai ilgesnio laiko negu leidžia ankstyvoji Visata. Net atskirų objektų stebimi įrodymai, patvirtinantys super-Eddington akreciją, sustiprina modelius, kuriuose ankstyvos juodosios skylės auga intensyviuose, bet trumpuose protrūkiuose arba atsiranda iš didelių pradinių „sėklų".
Pasekmės juodųjų skylių formavimui ir būsimoms stebėsenoms
Jei RACS J0320-35 matavimai atsilaikys prieš papildomą patikrinimą ir analizę, tai turėtų tapti vertingu kalibravimo tašku primordinių supermasyvių juodųjų skylių formavimosi scenarijų vertinimui. Įvertindami dabartinę masę ir momentinį augimo greitį, mokslininkai gali ekstrapoliuoti atgal ir apriboti įmanomas sėklų mases bei susidarymo kanalus — pavyzdžiui, ar sėklos susiformavo iš tiesioginio masyvių dujų debesų griūties, ar iš pirmųjų žvaigždžių liekanų (populiacijos III žvaigždžių sprogimų ir jų liekanų).
Autorius arba bendradarbis Alberto Moretti (INAF-Osservatorio Astronomico di Brera) pažymi, jog vienu metu matuojant tiek masę, tiek augimo greitį objektams, tokiems kaip RACS J0320-35, galima atlikti prasmingus palyginimus tarp konkuruojančių formavimosi modelių. Thomas Connor (Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics) priduria, kad atskiri ekstremalūs kvazarai suteikia svarbias ribines sąlygas ankstyvosios struktūros formavimosi simuliacijoms — jie nustato, kiek greitai ir efektyviai gali augti juodosios skylės tam tikromis kosminėmis aplinkybėmis.
Ateities darbams reikės gilesnių spektroskopinių matavimų, aukštesnės skiriamosios gebos vaizdavimo ir ilgalaikės daugiaspektrinės stebėsenos, kad būtų patvirtinta akrecijos geometrija, atmestos alternatyvios priežastys (tarkime, lęšiavimas arba beaming efektai) ir tiksliau išmatuota juodosios skylės masė. Instrumentai, tokie kaip James Webb Space Telescope (JWST), kitos naujos kartos rentgeno observatorijos (pvz., Athena ar Lynx idėjinės misijos) ir labai ilgų gijų interferometrija (VLBI) radijo bangose, yra pasiruošę praturtinti duomenis ir tiksliau išaiškinti situaciją.
Be to, radijo interferometrijos sprendimai, aukštos skiriamosios gebos optinės ir infraraudonųjų spektrų linijų profilų analizė bei reverberacijos žemėlapių (reverberation mapping) kampanijos gali pateikti papildomų įrodymų apie akrecijos diską, vėjo struktūras ir vidinę geometriją. Tokie metodai leistų atskirti, ar didelis spinduliavimas yra tik matavimo efektas dėl geometrijos ir orientacijos, ar iš tiesų rodo vidinį augimo katastrofiškumą.
Išvados
RACS J0320-35 atrodo perspektyvus stebimųjų pavyzdys super-Eddington augimo ankstyvajame Visatos etape. Jei tolimesni tyrimai patvirtins dabartinius rezultatus, šis objektas padės užpildyti spragas tarp teorijos ir stebėjimų, demonstruodamas realų greito augimo kelią, kuriuo galėjo eiti ankstyviausios supermasyvios juodosios skylės. Toks atradimas ne tik suteikia naują tašką modelių patikrai, bet ir nukreips būsimas paieškas labiau ekstremalių akrecijos atvejų jaunoje Visatoje.
Galutinės interpretacijos išliks priklausomos nuo papildomų duomenų: tik platesnės ir gilesnės kampanijos, apimančios kelias bangų ilgių sritis ir naudojančios tiek erdvinius, tiek žemės instrumentus, leis patikimai atskirti fizinius akrecijos procesus nuo stebėjimo artefaktų. Taip pat labai tikėtina, kad per ateinančius dešimtmečius, su geresniais modeliais ir pažangesniais teleskopais, požiūris į ankstyvųjų supermasyvių juodųjų skylių kilmę radikaliai pasikeis — o RACS J0320-35 gali tapti vienu iš tų kertinių pastebėjimų, kurie palengvins perėjimą nuo spekuliacijų prie nuoseklių kvantitatyvių paaiškinimų.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą