Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), astronomowie „zważyli” śpiącego olbrzyma — uśpioną supermasywną czarną dziurę znajdującą się w oszałamiającej odległości 10 miliardów lat świetlnych. To sprawia, że jest to najodleglejsza supermasywna czarna dziura, której masę naukowcy kiedykolwiek zmierzyli.
Supermasywny czarna dziura znajduje się w sercu galaktyki MRG-M0138, którą widać tak, jak wtedy, gdy Wszechświat miał zaledwie około 4 miliardy lat — i teraz wiemy to dzięki Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), że waży niesamowite 6 miliard razy masa słońce.
Supermasywne czarne dziury mogą być bardzo widoczne, gdy aktywnie się odżywiają, dlatego są otoczone dużą ilością materii w obszarze zwanym aktywnymi jądrami galaktycznymi (AGN). Ze względu na ogromne siły grawitacyjne czarnej dziury AGN świeci bardzo jasno. Jednakże, ponieważ czarne dziury są otoczone przechwytującą światło granicą zwaną an horyzont zdarzeńuśpione czarne dziury ze słabo zaopatrzonymi spiżarniami są znacznie bardziej nieuchwytne. Są praktycznie niewidoczne. Mimo to nawet te czarne dziury mają wpływ grawitacyjny, który może oddziaływać bardziej niż na wirujące talerze gazu i pyłu – wpływ ten może również wpływać na ruch gwiazdy krążących wokół czarnych dziur. I te gwiazdy rzeczywiście są widoczne.
Aby wykryć i zmierzyć masę tej supermasywnej czarnej dziury, zespół odpowiedzialny za te badania wykorzystał JWST do śledzenia ruchu gwiazd w sercu MRG-M0138. Tę sztuczkę polegającą na śledzeniu gwiazd stosowano w przeszłości do ważenia uśpionych czarnych dziur znacznie bliżej Ziemia — na przykład supermasywna czarna dziura o masie 4,3 miliona mas Słońca w sercu naszej własnej galaktyki, Strzelec A* (Sgr A*). Jednakże Sgr A* i towarzyszące jej gwiazdy znajdują się zaledwie 26 000 lat świetlnych od nas, a najdalsza czarna dziura, do ważenia której wykorzystano tę technikę, zwaną dynamiką gwiazd, znajdowała się zaledwie 700 milionów lat świetlnych od nas. Nowe badania, będące około 15 razy większą od poprzedniego rekordu odległości, po raz pierwszy z sukcesem wykorzystano do pomiaru masy tak odległego śpiącego olbrzyma.
„Ustalenie sposobu, w jaki gwiazdy wspólnie poruszają się w jądrze tej odległej galaktyki, pozwoliło nam zmierzyć masę jej niewykrywalnej w przeciwnym razie supermasywnej czarnej dziury” – Richard Ellis, kierownik zespołu i naukowiec z University College of London – napisano w oświadczeniu. „Pokazując wykonalność takiej techniki dla galaktyk we wczesnym Wszechświecie, możemy teraz przeprowadzić pełniejszy spis rozwoju czarnych dziur w czasie i wywnioskować ich rolę w kształtowaniu ewolucji galaktyk”.
Jednakże określenie ruchu gwiazd w sercu MRG-M0138 nie było proste. Wymagało to naturalnego zjawiska kosmicznego znanego jako soczewkowanie grawitacyjne, z którego się wyłoniło Alberta Einsteinamagnum opus teorii grawitacji, znanej jako ogólna teoria względności.
Co to jest soczewkowanie grawitacyjne?
Ogólna teoria względności przewiduje, że obiekty posiadające masę tworzą rzeczywistą krzywiznę w strukturze czasoprzestrzeńczterowymiarowe zjednoczenie trzech wymiarów przestrzeni i jednego wymiaru czasu. Z tej krzywizny wyłania się grawitacja, a ponieważ im większa masa, tym większa krzywizna, tym większa masa obiektu, tym silniejsza jest jego grawitacja.
Soczewkowanie grawitacyjne występuje, gdy masywny obiekt, taki jak galaktyka lub gromada galaktyk, znajduje się pomiędzy bardziej odległym obiektem na pierwszym planie a Ziemią. Gdy światło ze źródła tła przechodzi przez krzywiznę przestrzeni spowodowaną przez masywny obiekt na pierwszym planie lub soczewkę grawitacyjną, jego zwykle prosta droga staje się zakrzywiona.
Im bliżej soczewki grawitacyjnej przechodzi światło, tym bardziej zmienia się jego droga, a to oznacza, że światło z tego samego obiektu dociera do naszych teleskopów w różnym czasie. Może to powiększyć obiekt, a w skrajnych przypadkach może sprawić, że ten sam obiekt pojawi się wiele razy w różnych pozycjach na tym samym obrazie.
Efekt soczewkowania grawitacyjnego galaktyki pomiędzy MRG-M0138 a Ziemią ponownie skupił światło z tej odległej galaktyki, powiększając je 30 razy, co umożliwiło Ellisowi i współpracownikom misterną rekonstrukcję wewnętrznych szczegółów MRG-M0138.
„Łącząc dane JWST z soczewkowaniem grawitacyjnym, moglibyśmy zajrzeć do strefy wpływów czarnej dziury, gdzie jej grawitacja zwiększa prędkość gwiazd” – powiedział Andrew Newman z Carnegie Science w Pasadenie w Kalifornii. „To jedna z najlepszych technik ważenia czarnych dziur, którymi dysponujemy, dlatego z radością rozszerzyliśmy ją na znacznie wcześniejszy okres w historii kosmosu”.
Oprócz zbadania tej uśpionej czarnej dziury zespół ustalił również, że sam MRG-M0138 jest uśpiony, co oznacza, że nie tworzy już nowych gwiazd. Jest to prawdopodobnie wynikiem tego, że supermasywna czarna dziura przechodziła żarłoczny szał karmienia na początku swojej historii, kiedy mogła pojawić się jako płonący kwazar w sercu AGN. Energia uwolniona w tej fazie wypchnęłaby gaz i pył zarówno z czarnej dziury, kończąc jej fazę zasilania, jak i z samego MRG-M0138. To pozbawiłoby galaktykę surowca do formowania się gwiazd, ograniczając w ten sposób tempo urodzeń gwiazd.
Oznacza to, że dzięki tym obserwacjom oraz większej liczbie danych dotyczących uśpionych supermasywnych czarnych dziur z JWST naukowcy mogą lepiej zrozumieć związek między wzrostem galaktyk a wzrostem supermasywnych czarnych dziur, a także rolę, jaką odgrywają kosmiczni tytani w blokowaniu powstawania gwiazd w galaktykach macierzystych.
Wyniki badań zespołu opublikowano w czwartek (4 czerwca) w Nauka.
