Zespół kierowany przez naukowców z University of North Carolina w Chapel Hill odkrył wcześniej przeoczony skarbiec masywnych czarnych dziur w galaktykach karłowatych. Nowo odkryte czarne dziury dają wgląd w historię życia supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej własnej galaktyki Drogi Mlecznej.
Uważa się, że Droga Mleczna, jako gigantyczna galaktyka spiralna, powstała z połączenia wielu mniejszych galaktyk karłowatych. Na przykład Obłoki Magellana widoczne na niebie południowym to galaktyki karłowate, które połączą się w Drogę Mleczną. Każdy karzeł, który wpadnie, może przynieść ze sobą centralną masywną czarną dziurę, o masie dziesiątek lub setek tysięcy mas naszego Słońca, potencjalnie przeznaczoną do połknięcia przez centralną supermasywną czarną dziurę Drogi Mlecznej.
Nie wiadomo jednak, jak często galaktyki karłowate zawierają masywną czarną dziurę, co pozostawia kluczową lukę w naszym zrozumieniu tego, jak czarne dziury i galaktyki rosną razem. Nowe badania opublikowane w Astrophysical Journal pomagają wypełnić tę lukę, ujawniając, że masywne czarne dziury występują w galaktykach karłowatych wielokrotnie częściej niż wcześniej sądzono.
„Ten wynik naprawdę zaskoczył mnie, ponieważ te czarne dziury wcześniej ukrywały się na widoku” – powiedział Mugdha Polimera, główny autor badania i doktorant UNC-Chapel Hill. student.
Wysyłanie mieszanych wiadomości
Czarne dziury są zwykle wykrywane, gdy aktywnie rosną, połykając gaz i wirujący wokół nich pył gwiezdny, co sprawia, że intensywnie świecą.
UNC-Chapel Hill prof. Sheila Kannappan, dr Polimery doradca i współautor badania porównał czarne dziury do świetlików.
„Podobnie jak świetliki, widzimy czarne dziury tylko wtedy, gdy są oświetlone – kiedy rosną – a te oświetlone dają nam wskazówkę, ile nie możemy zobaczyć”.
Problem polega na tym, że podczas gdy rosnące czarne dziury świecą charakterystycznym promieniowaniem wysokoenergetycznym, młode, nowo narodzone gwiazdy również mogą. Tradycyjnie astronomowie odróżniali rosnące czarne dziury od formowania się nowych gwiazd za pomocą testów diagnostycznych, które opierają się na szczegółowych cechach światła widzialnego każdej galaktyki rozłożonej na widmo jak tęcza.
Ścieżka do odkrycia rozpoczęła się, gdy studenci studiów licencjackich pracujący z Kannappan próbowali zastosować te tradycyjne testy do danych przeglądowych galaktyk. Zespół zdał sobie sprawę, że niektóre galaktyki wysyłały mieszane wiadomości – dwa testy wskazywałyby na rosnące czarne dziury, ale trzeci wskazywałby tylko na powstawanie gwiazd.
„Poprzednie prace po prostu odrzucały niejednoznaczne przypadki, takie jak te, z analizy statystycznej, ale miałem przeczucie, że mogą to być nieodkryte czarne dziury w galaktykach karłowatych” – powiedział Kannappan. Podejrzewała, że trzeci, czasem sprzeczny, test był bardziej czuły niż dwa pozostałe na typowe właściwości karłów: ich prosty skład pierwiastkowy (głównie pierwotny wodór i hel z Wielkiego Wybuchu) oraz ich wysokie tempo formowania nowych gwiazd.
Współautor badań, Chris Richardson, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Elon, potwierdził za pomocą symulacji teoretycznych, że wyniki testu mieszanych wiadomości dokładnie pasują do tego, co teoria przewidywałaby dla galaktyki karłowatej o pierwotnym składzie, wysoce formującej gwiazdy, zawierającej rosnącą masywną czarną dziurę. „Fakt, że moje symulacje zgadzały się z tym, co odkryła grupa Kannappan, sprawił, że podekscytowałem się badaniem implikacji ewolucji galaktyk” – powiedział Richardson.
Spis rosnących czarnych dziur
Polimera podjęła wyzwanie zbudowania nowego spisu rosnących czarnych dziur, z uwzględnieniem zarówno tradycyjnych, jak i mieszanych typów wiadomości. Uzyskała opublikowane pomiary cech spektralnych światła widzialnego, aby przetestować czarne dziury w tysiącach galaktyk znalezionych w dwóch przeglądach prowadzonych przez Kannappana, RESOLVE i ECO. Przeglądy te obejmują dane ultrafioletowe i radiowe, idealne do badania formowania się gwiazd i mają nietypowy projekt: podczas gdy większość przeglądów astronomicznych wybiera próbki, które faworyzują duże i jasne galaktyki, RESOLVE i ECO są kompletnymi inwentarzami ogromnych objętości współczesnego Wszechświata, galaktyki karłowate są liczne.
„Było dla mnie ważne, abyśmy nie skłaniali naszych poszukiwań czarnych dziur w kierunku galaktyk karłowatych” – powiedział Polimera. „Ale patrząc na cały spis, odkryłem, że nowy typ rosnących czarnych dziur prawie zawsze pojawiał się u karłów. Byłem zaskoczony liczbami, kiedy pierwszy raz je zobaczyłem”.
Ponad 80 procent wszystkich rosnących czarnych dziur, które znalazła w galaktykach karłowatych, należało do nowego typu.
Wynik wydawał się zbyt dobry. „Wszyscy się denerwowaliśmy” – powiedziała Polimera. „Pierwsze pytanie, które przyszło mi do głowy, brzmiało: czy przegapiliśmy sposób, w jaki samo ekstremalne formowanie się gwiazd może wyjaśnić te galaktyki?” Prowadziła wyczerpujące poszukiwania alternatywnych wyjaśnień dotyczących powstawania gwiazd, niepewności modelowania lub egzotycznej astrofizyki. Ostatecznie zespół został zmuszony do stwierdzenia, że nowo zidentyfikowane czarne dziury są prawdziwe.
„Wciąż się szczypiemy” — powiedział Kannappan. „Cieszymy się, że możemy realizować miliony kolejnych pomysłów. Czarne dziury, które znaleźliśmy, są podstawowymi elementami budulcowymi supermasywnych czarnych dziur, takich jak ta w naszej Drodze Mlecznej. Jest tak wiele, co chcielibyśmy się o nich dowiedzieć”.
Badania te zostały częściowo sfinansowane przez Narodową Fundację Nauki.