211service.com
Fjärrstrålar ger oss ledtrådar till hur supermassiva svarta hål blir så stora
Konstnärens intryck av ett radiojet som kommer från ett supermassivt svart hål. ESO/M. kornmesser
I mitten av varje galax finns ett supermassivt svart hål – ett monster som håller ihop närheten av stjärnor och planeter och gas och damm. Under decennierna sedan astronomer började studera dem på allvar, har vi bekräftat att dessa objekt verkligen existerar; vi har lärt oss att de sannolikt är viktiga för att hjälpa stjärnor att bildas; och vi har till och med utvecklat en teknik för att avbilda dem direkt . En stor fråga har dock gjort astronomerna stum: hur växer dessa odjur så massiva, så snabbt?
De nyckeln kan ligga med astrofysiska jetstrålar - utbrott av energisatta partiklar och strålning som supermassiva svarta hål ibland rapar ut. Vi vet inte exakt varför de gör detta, men två nya rekordbrytande studier från samma internationella team av astronomer tyder på att oavsett orsaken kan dessa jetstrålar hjälpa supermassiva svarta hål att växa.
Det första fyndet, rapporterade i Astrophysical Journal , är upptäckten av ett supermassivt svart hål 13 miljarder ljusår bort som är 300 gånger mer massivt än solen. Astronomerna använde infraröda observationer från Magellan-teleskopet vid Las Campanas-observatoriet i Chile för att bekräfta att det är källan till en jet som först upptäcktes 2015. Detta supermassiva svarta hål är nu det mest avlägsna (det vill säga det äldsta) jetproducerande svarta hålet någonsin upptäckt.
Den andra, i en preprint-studie som snart kommer att publiceras i Astrophysical Journal, är upptäckten av en astrofysisk jetstråle från ett supermassivt svart hål 12,7 miljarder ljusår bort och över en miljard gånger mer massiv än solen, som först upptäcktes 2018. Teamet använde NASA:s Chandra X -ray Observatory, som letar efter röntgenstrålning från mycket heta föremål i universum, för att göra dessa observationer. Det är den mest avlägsna astrofysiska jet som någonsin observerats i röntgenstrålar.
Varje uppsättning fynd slår några esoteriska astronomirekord, men det är inte därför de är en stor sak. Båda hjälper till att förklara varför supermassiva svarta hål kan växa så snabbt även om de ständigt släpper ut högenergimaterial. Vad teamet hittade är det första beviset i sitt slag att jetplanen faktiskt uppmuntra ett svart håls snabba matning.
I den första undersökningen, efter att Magellan bekräftat det svarta hålets existens, använde teamet andra instrument, som Very Large Telescope i Chile, för att urskilja andra egenskaper om det svarta hålet och dess jet, som massa.
Ytterligare data visar hur jetstrålarna uppmuntrar matning. Den intensiva gravitationskraften från det svarta hålet försöker dra enorma mängder gas och damm in i dess händelsehorisont (point of no return). Denna materia har vinkelmomentum, vilket betyder att den inte bara faller rakt in – den kretsar runt händelsehorisonten. Samtidigt fortsätter strålningstrycket i området (som skapas av friktion och stress i skivan av kretsande materia som värms upp tills det glöder) att trycka bort gasen från händelsehorisonten.
Vad som händer är lite komplicerat, men i huvudsak tar strålens stråle av starkt strömförsedda partiklar bort vinkelmomentum från gas när den rör sig utåt. Och till skillnad från strålningstrycket, som lyser och trycker ut i alla riktningar, är strålen smal, och därför kan den knappt interagera med och påverka de mindre täta lagren av gas längre ut. Med ett sätt för gas att tappa vinkelmomentum med lite pushback, faller mycket av gasen som omger händelsehorisonten helt enkelt direkt in.
På så sätt säkerställer strålen att det svarta hålet inte arbetar aktivt mot sig självt – det kan fortsätta mata, säger Thomas Connor, en NASA-astronom och medförfattare till båda tidningarna. Även om forskare har misstänkt att jetstrålar kan spela en roll för att uppmuntra matningsprocessen, har vi hittills inte riktigt sett övertygande bevis för det, säger han.
Röntgenstudien stärker denna idé. Dessa observationer avslöjade att jetstrålen har färdats 150 000 ljusår bort från sin källa – vilket gör det till den första röntgenobservationen av jetstrålar längre än bara några tusen ljusår. Denna storskaliga röntgendetektering betyder att vi har haft dessa jetstrålar igång under otroligt långa tidsperioder, säger Connor. De är inte bara övergående blåsor utan hölls i hundratusentals år – tillräckligt med tid för att faktiskt hjälpa ett supermassivt svart hål att matas och växa mycket snabbt. Vi vet nu att detta är en långsiktig process, och det är så dessa jetplan faktiskt kan hjälpa dessa supermassiva svarta hål att byggas upp, säger han. Detta är den saknade biten som kopplar 15 år av teori till var vi är nu.
Båda studierna hjälper till att lägga grunden för uppföljningsfynd som kan hjälpa oss att lära oss mer om hur supermassiva svarta hål utvecklades och hjälpte till att forma det tidiga universum. Vi har nu en bättre uppfattning om hur man letar efter svarta hål från så uråldriga tider, såväl som en förståelse för att fler röntgenobservationer kan vara avgörande för att lära oss hur jetmatningsdynamiken fungerar.
För Connor kommer dessa ytterligare observationer att vara nyckeln. Och han är ganska uppmuntrad efter veckans ett-två-slag. Upptäckten pekar förhoppningsvis på att det finns många fler av de här föremålen där ute, säger han, och jag hoppas att vi snart kan slå avståndsrekordet igen.