Chandrateleskopet upptäckte ett svart hål som växer med enorm hastighet

 

Bild Nasa En konstnärs koncept av ett supermassivt svart hål och en omgivande skiva av materia som faller mot det svarta hålet plus en jetstråle som innehåller partiklar som rör sig bort från  hålet i nära ljusets hastighet. Detta svarta hål representerar en nyligen upptäckt kvasar som får energi av ett svart hål. Nya observationer av Chandrateleskopet (rymdteleskopet som observerar i röntgenljus) tyder på att det svarta hålet växer med en hastighet som överskrider den vanliga gränsen för svarta hål, den så kallade Eddingtongränsen  (Eddington-luminositet (Eddingtongränsen) är den högsta luminositet som kan passera genom ett skikt av gas i hydrostatisk jämvikt, vid sfärisk symmetri). Fotograf: NASA/CXC/SAO/M. Weiss  Röntgen: NASA/CXC/INAF-Brera/L. Ighina et al.; Illustration: NASA/CXC/SAO/M. Weiss; Bildbehandling: NASA/CXC/SAO/N. Wolk

Ovan svarta hål väger ungefär en miljard gånger mer än vår sol och finns cirka 12,8 miljarder ljusår från jorden, vilket innebär att astronomer ser det  920 miljoner år efter universums begynnelse. Det producerar mer röntgenstrålning än något annat svart hål som setts under universums första miljard år.

Det svarta hålet blir en kvasar (En kvasar är en extremt ljusstark och avlägsen aktiv galaxkärna), ett extremt ljusstarkt objekt som överglänser hela galaxer. Kraftkällan till detta glödande monster är stora mängder materia som rör sig runt och dras in i det svarta hålet.

Det var genom Chandrateleskopet som man 2023 upptäckte vad som skiljer denna kvasar, RACS J0320-35, från övrigt kända. Röntgendata avslöjar att detta verkar växa med en hastighet som överstiger det normala och möjliga för dessa objekt.

"Det var lite chockerande att se detta svarta hål växa med stormsteg", beskriver Luca Ighina vid Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian i Cambridge, Massachusetts som ledde studien.

När materia dras mot ett svart hål hettas det upp och resulterar i intensiv strålning över ett brett spektrum, inklusive röntgenstrålning och optiskt ljus. Strålningen skapar tryck på det infallande materialet. När den fallande materians hastighet når ett kritiskt värde balanserar strålningstrycket det svarta hålets gravitation och materia kan normalt inte falla inåt snabbare. Denna maximala gräns enligt fysiken kallas Eddington-gränsen.

Forskare tror att svarta hål som växer långsammare än Eddingtongränsen måste producera massor på cirka 10 000 solar eller mer för att de ska kunna nå en miljard solmassor inom en miljard år efter big bang – vilket har observerats i RACS J0320-35. Ett svart hål med så hög massa skulle teoretiskt men inte troligt kunna vara ett direkt resultat av en exotisk process: kollapsen av ett enormt moln av tät gas som innehöll ovanligt små mängder grundämnen tyngre än helium ett förhållande som man tror är extremt sällsynt om det nu kan ske.

Om RACS J0320-35 däremot växer i en hög takt som man upptäckt nu  uppskattningsvis 2,4 gånger högre än Eddingtongränsen  och har gjort det under en längre tid, kan dess svarta hål ha börjat på ett mer konventionellt sätt, med en massa mindre än hundra solar, orsakad av implosionen av en massiv stjärna.

– Genom att känna till massan hos det svarta hålet och räkna ut hur snabbt det växer kan vi arbeta bakåt för att uppskatta hur massivt det kan ha varit från början, beskriver medförfattare Alberto Moretti vid INAF-Osservatorio Astronomico di Brera i Italien. Med den här beräkningen kan vi nu testa olika idéer om hur svarta hål föds, beskriver han.

För att ta reda på hur snabbt det svarta hålet växer (ca 300 och 3 000 solar per år) jämförde forskarna olika teoretiska modeller utgående från röntgensignaturen, eller spektrumet, från Chandraobservationen vid olika energinivåer. De fann att Chandra-spektrumet stämde väl överens med vad de förväntade sig från modeller av ett svart hål som växer snabbare än Eddingtongränsen. Data från optiskt och infrarött ljus stöder också tolkningen att det svarta hålet blir större i vikt snabbare än vad Eddingtongränsen tillåter.

"Hur skapade universum den första generationen av svarta hål?" frågar sig medförfattare Thomas of Connor, också vid Center for Astrophysics.

Ett annat vetenskapligt mysterium som tas upp i detta resultat handlar om orsaken till jetstrålar av partiklar som rör sig bort från vissa svarta hål i nära ljusets hastighet, som ses ske i RACS J0320-35. Jetstrålar som denna är ovanliga från kvasarer vilket kan betyda att den snabba tillväxthastigheten hos det svarta hålet på något sätt bidrar till att dessa jetstrålar bildas.

En artikel som beskriver resultatet i studien har godkänts för publicering i The Astrophysical Journal och finns tillgänglig här.