Naukowcy odkryli najstarszą zaobserwowaną czarną dziurę, datowaną na początki Wszechświata, i odkryli, że „pożera” ona na śmierć swoją galaktykę macierzystą.
Międzynarodowy zespół kierowany przez Uniwersytet w Cambridge wykorzystał Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) NASA/ESA/CSA do wykrycia czarnej dziury, której początki sięgają 400 milionów lat po Wielkim Wybuchu, czyli ponad 13 miliardów lat temu. Wyniki, które według głównego autora, profesora Roberto Maiolino, stanowią „olbrzymi krok naprzód”, opublikowano w czasopiśmie Nature.
Fakt, że ta zaskakująco masywna czarna dziura – kilka milionów razy większa od masy naszego Słońca – istnieje w ogóle na tak wczesnym etapie Wszechświata, podważa nasze założenia dotyczące powstawania i wzrostu czarnych dziur. Astronomowie uważają, że supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk takich jak Droga Mleczna urosły do swoich obecnych rozmiarów w ciągu miliardów lat. Jednak rozmiar tej nowo odkrytej czarnej dziury sugeruje, że mogą one powstawać w inny sposób: mogą „rodzić się duże” lub mogą zjadać materię w tempie pięciokrotnie większym, niż sądzono, że jest to możliwe.
Według standardowych modeli supermasywne czarne dziury powstają z pozostałości martwych gwiazd, które zapadają się i mogą utworzyć czarną dziurę o masie około stu mas Słońca. Gdyby rosła w oczekiwany sposób, nowo odkryta czarna dziura potrzebowałaby około miliarda lat, aby osiągnąć zaobserwowany rozmiar. Jednakże Wszechświat nie miał jeszcze miliarda lat, kiedy odkryto tę czarną dziurę.
„Jest bardzo wcześnie we wszechświecie, aby zobaczyć tak masywną czarną dziurę, dlatego musimy rozważyć inne sposoby jej powstania” – powiedział Maiolino z Cavendish Laboratory i Kavli Institute of Cosmology w Cambridge. „Bardzo wczesne galaktyki były niezwykle bogate w gaz, więc przypominały bufet dla czarnych dziur”.
Podobnie jak wszystkie czarne dziury, ta młoda czarna dziura pożera materię ze swojej galaktyki macierzystej, aby napędzać swój rozwój. Jednak odkryto, że ta starożytna czarna dziura pochłania materię znacznie energiczniej niż jej siostry z późniejszych epok.
Młoda galaktyka macierzysta, zwana GN-z11, świeci od takiej energetycznej czarnej dziury w swoim centrum. Czarnych dziur nie można bezpośrednio obserwować, zamiast tego można je wykryć poprzez charakterystyczny blask wirującego dysku akrecyjnego, który tworzy się w pobliżu krawędzi czarnej dziury. Gaz w dysku akrecyjnym staje się niezwykle gorący, zaczyna świecić i emitować energię w zakresie ultrafioletu. Dzięki temu silnemu blaskowi astronomowie mogą wykrywać czarne dziury.
GN-z11 to zwarta galaktyka, około sto razy mniejsza od Drogi Mlecznej, ale czarna dziura prawdopodobnie szkodzi jej rozwojowi. Kiedy czarne dziury zużywają zbyt dużo gazu, wypychają go niczym ultraszybki wiatr. Ten „wiatr” mógłby zatrzymać proces powstawania gwiazd, powoli zabijając galaktykę, ale zabije także samą czarną dziurę, ponieważ odciąłby także źródło „pożywienia” czarnej dziury.
Maiolino mówi, że gigantyczny krok naprzód, jaki zapewnił JWST, sprawia, że jest to najbardziej ekscytujący okres w jego karierze. „Nadchodzi nowa era: ogromny skok w zakresie czułości, szczególnie w podczerwieni, jest jak przejście z teleskopu Galileusza na nowoczesny teleskop z dnia na dzień” – powiedział. „Zanim Webb pojawił się w Internecie, pomyślałem, że może wszechświat nie jest tak interesujący, gdy wykracza się poza to, co możemy zobaczyć za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a. Ale wcale tak nie było: wszechświat był dość hojny w tym, co nam pokazać, a to dopiero początek.”
Maiolino twierdzi, że czułość JWST oznacza, że w nadchodzących miesiącach i latach można będzie znaleźć jeszcze starsze czarne dziury. Maiolino i jego zespół mają nadzieję wykorzystać przyszłe obserwacje z JWST do znalezienia mniejszych „nasion” czarnych dziur, co może pomóc im rozwikłać różne sposoby powstawania czarnych dziur: niezależnie od tego, czy na początku są duże, czy szybko rosną.
Badania były częściowo wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, Towarzystwo Królewskie oraz Radę ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych (STFC), będącą częścią brytyjskiej organizacji ds. badań i innowacji (UKRI).