NASA odkrywa rekordową supermasywną czarną dziurę w odległości ponad 13 miliardów lat świetlnych

Astronomowie odkryli najdalszą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek zaobserwowano za pomocą promieni rentgenowskich, zlokalizowaną w galaktyce UHZ1, oddalonej o ponad 13 miliardów lat świetlnych. Wykorzystując dane z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra i Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, wyniki sugerują, że czarna dziura była masywna w momencie narodzin, co podważa obecne teorie na temat supermasywnych czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Źródło: NASA

• Główny wskaźnik rosnącej masy supermasywnej Czarna dziura – Emisja promieniowania rentgenowskiego – znaleziona w odległej galaktyce.
• Galaktyka ta, UHZ1, znajduje się 13,2 miliarda lat świetlnych od nas i została zaobserwowana, gdy Wszechświat miał zaledwie 3% swojego obecnego wieku.
• NASAObserwatorium Rentgenowskie Chandra i Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba Połączyli swoje wysiłki, aby dokonać tego odkrycia.
• Jest to najlepszy jak dotąd dowód na to, że niektóre wczesne czarne dziury powstały z masywnych obłoków gazu.

Astronomowie odkryli najdalszą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek wykryto w promieniowaniu rentgenowskim (w galaktyce nazwanej UHZ1) za pomocą teleskopów kosmicznych Chandra i Webb. Emisja promieniowania rentgenowskiego jest wyraźną oznaką obecności supermasywnej czarnej dziury. Wynik ten może wyjaśniać, w jaki sposób powstały niektóre z pierwszych supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie. Te zdjęcia przedstawiają gromadę galaktyk Abell 2744 za UHZ1 w promieniowaniu rentgenowskim z Chandry i danych w podczerwieni z Webba, a także zbliżenia galaktyki macierzystej czarnej dziury UHZ1. Źródło: zdjęcie rentgenowskie: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; Podczerwień: NASA/ESA/CSA/STScI; Przetwarzanie obrazu: NASA/CXC/SAO/L. Fratariego i K. Arkanda

Teleskopy NASA odkryły rekordową czarną dziurę

Powyższe zdjęcie ukazuje najdalszą czarną dziurę, jaką kiedykolwiek zidentyfikowano za pomocą promieni rentgenowskich, potencjalnie rzucając światło na powstawanie najstarszych supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie. Odkrycia dokonano na podstawie promieni rentgenowskich z Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra (pokazanego na fioletowo) oraz danych w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (pokazanego na czerwono, zielono i niebiesko).

Węgierskie dystanse i notatki

Niezwykle odległa czarna dziura w galaktyce UHZ1 znajduje się w kierunku gromady galaktyk Abell 2744. Gromada galaktyk znajduje się około 3,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. Jednak dane Webba ujawniają, że UHZ1 znajduje się znacznie dalej niż Abell 2744. W odległości około 13,2 miliardów lat świetlnych UHZ1 można było zobaczyć, gdy Wszechświat miał zaledwie 3% swojego obecnego wieku.

Soczewkowanie grawitacyjne i detekcja promieni rentgenowskich

Korzystając z ponad dwutygodniowych obserwacji z Chandry, badaczom udało się wykryć emisję promieniowania rentgenowskiego z UHZ1, wskazującą na obecność supermasywnej czarnej dziury rosnącej w centrum galaktyki. Sygnał rentgenowski jest tak słaby, że Chandra była w stanie go wykryć – nawet przy tak długich obserwacjach – dzięki zjawisku znanemu jako soczewkowanie grawitacyjne, które wzmocniło sygnał czterokrotnie.

Techniki obrazowania i orientacji

Fioletowe części zdjęcia przedstawiają promieniowanie rentgenowskie dużych ilości gorącego gazu w Abell 2744. Zdjęcie w podczerwieni pokazuje setki galaktyk w gromadzie wraz z kilkoma gwiazdami na pierwszym planie. Wstawki są powiększone do małego obszaru skupionego wokół UHZ1. Mały obiekt na zdjęciu internetowym to odległa galaktyka UHZ1, a środek zdjęcia Chandra przedstawia promienie rentgenowskie pochodzące z materii znajdującej się blisko supermasywnej czarnej dziury w środku UHZ1. Duży rozmiar źródła promieniowania rentgenowskiego w porównaniu z obrazem galaktyki w podczerwieni wynika z tego, że stanowi ono najmniejszą objętość, jaką Chandra może rozdzielić. Promienie rentgenowskie w rzeczywistości pochodzą ze znacznie mniejszego obszaru galaktyki.

Zastosowano różne wygładzanie do pełnego pola obrazu Chandra i do zbliżonego obrazu Chandry. Wygładzanie przeprowadzono na wielu pikselach dużego obrazu, aby uwypuklić słabą emisję klastrów, kosztem nieukazywania słabych punktowych źródeł promieniowania rentgenowskiego, takich jak UHZ1. Do zbliżonego obrazu zastosowano znacznie mniej wygładzania, przez co widoczne są słabe źródła promieniowania rentgenowskiego. Obraz jest zorientowany tak, że północ wskazuje 42,5 stopnia na prawo od pionu.

Ilustracja: Ciężka czarna dziura powstała w wyniku bezpośredniego zapadnięcia się masywnej chmury gazu. Źródło obrazu: NASA/STScI/Leah Hostak

Znaczenie odkrycia

Odkrycie jest ważne dla zrozumienia, w jaki sposób niektóre supermasywne czarne dziury – te zawierające nawet miliardy mas Słońca i znajdujące się w centrach galaktyk – mogą osiągnąć masywne masy tak szybko po Wielkim Wybuchu. Czy powstają bezpośrednio w wyniku zapadnięcia się masywnych obłoków gazu, tworząc czarne dziury o masie od dziesięciu do stu tysięcy słońc? A może pochodzi z eksplozji pierwszych gwiazd, które tworzą czarne dziury o masie zaledwie dziesięciu do stu słońc?

Wyniki badań i implikacje teoretyczne

Zespół astronomów znalazł mocne dowody na to, że nowo odkryta czarna dziura w UHZ1 narodziła się jako masywna. Opierając się na jasności i energii promieni rentgenowskich, szacuje się, że jego masa wynosi od 10 do 100 milionów słońc. Ten zakres mas jest podobny do wszystkich gwiazd w galaktyce, w której żyją, co stanowi wyraźny kontrast w stosunku do czarnych dziur w centrach galaktyk w pobliskim wszechświecie, które zazwyczaj zawierają tylko około jednej dziesiątej procenta ich własnej masy . Hostuj gwiazdy galaktyki.

Duża masa czarnej dziury w młodym wieku, a także ilość emitowanego przez nią promieniowania rentgenowskiego i jasność galaktyki odkrytej przez Webba są zgodne z teoretycznymi przewidywaniami z 2017 r. dotyczącymi „supermasywnej czarnej dziury”, która powstała bezpośrednio z Galaktyka. Zapadnięcie się ogromnej chmury gazu.

Ciągłe badania i współpraca

Naukowcy planują wykorzystać te i inne wyniki przesyłane przez Webba i te zbierające dane z innych teleskopów, aby wypełnić szerszy obraz wczesnego Wszechświata.

Artykuł opisujący wyniki ukazuje się w Astronomia przyrodnicza. Autorami są Akos Bogdan (Centrum Astrofizyki | Harvard and Smithsonian), Andy Golding (Uniwersytet Princeton), Priyamvada Natarajan (Uniwersytet Yale), Ursolya Kovacs (Uniwersytet Masaryka, Czechy), Grant Tremblay (CFA), Urmila Chadayamuri (CfA), Marta Volontaire (Institut de Astrophysique de Paris, Francja), Ralph Kraft (CfA), William Fuhrmann (CfA), Christine Jones (CfA), Eugene Chorazov (Instytut Astrofizyki Maxa Plancka, Niemcy) oraz Irina Żurawlewa (Uniwersytet w Chicago).

Dane Webba wykorzystane w obu badaniach stanowią część ankiety o nazwie Ultradeep Nirspec i nirCam Observations Before the Era of Reionization (UNCOVER). Artykuł prowadzony przez członka zespołu UNCOVER, Andy’ego Goldinga, ukazuje się w: Listy do dzienników astrofizycznych. Współautorami są pozostali członkowie zespołu UNCOVER oraz Bogdan i Natarajan. Szczegółowy artykuł interpretacyjny porównujący obserwowane właściwości UHZ1 z teoretycznymi modelami masywnych galaktyk czarnych dziur jest obecnie poddawany przeglądowi i dostępny jest wstępny wydruk. Tutaj.

Bibliografia:

„Dowody na pochodzenie ciężkich nasion wczesnych supermasywnych czarnych dziur z kwazara rentgenowskiego az ≈ 10”: Akos Bogdan, Andy D. Golding, Priyamvada Natarajan, Ursulia E. Kovacs, Grant R. Tremblay, Urmila Chadayamuri, Marta Volontiri , Ralph P. Kraft, William R. . Forman, Christine Jones, Eugene Chorazov i Irina Zhuravleva, 6 listopada 2023 r., Astronomia przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41550-023-02111-9

„Odkrycie: Wzrost pierwszych masywnych czarnych dziur z JWST/NIROSpec – Spektroskopowe potwierdzenie przesunięcia ku czerwieni AGN oświetlonego promieniowaniem rentgenowskim przy z = 10,1” autorstwa Andy’ego D. Goldinga i Jenny E. Greena i Davida J. Seaton, Ivo Lappé, Rachel Bezançon, Tim B. Miller, Hakim Atiq, Akos Bogdan, Gabriel Brammer, Iryna Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Yoshinobu Fudamoto, Seiji Fujimoto, Lukas J. Furtak, Vasiliy Kokorev, Gaurav Khullar, Joel Leja, Danilo Marchesini, Priyamvada Natarajan, Erika Nelson, Pascal A. Oish, Richard Pan, Casey Papovich, Sedona H. Price, Peter van Dokkum, Benjie Wang, 冰洁王, John R. Weaver, Katarzyna E. Whitaker i Adi Zittrain, 22 września 2023 r., Listy do dzienników astrofizycznych.
doi: 10.3847/2041-8213/acf7c5

Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla zarządza programem Chandra. Centrum rentgenowskie Chandra w Obserwatorium Smithsonian Astrophysical Observatory kontroluje operacje naukowe z Cambridge w stanie Massachusetts oraz operacje lotnicze z Burlington w stanie Massachusetts.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest wiodącym na świecie obserwatorium nauk o kosmosie. Webb rozwiąże tajemnice naszego Układu Słonecznego, spojrzy poza odległe światy wokół innych gwiazd i zbada tajemnicze struktury i pochodzenie naszego wszechświata oraz nasze w nim miejsce. WEB to międzynarodowy program prowadzony przez NASA wraz z partnerami Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).Europejska Agencja Kosmiczna) i Kanadyjska Agencja Kosmiczna.