Astronomové objevili kvazar z raného vesmíru, v jehož středu roste černá díra rychlostí 13krát vyšší, než dovoluje Eddingtonova mez – teoretická hranice růstu. Tento extrémní objekt, viditelný tak, jak vypadal před 12 miliardami let, přepisuje naše chápání toho, jak mohly supermasivní černé díry vznikat tak rychle po Velkém třesku.
Mimořádný astronomický objev odhalil existenci supermasivní černé díry, jejíž hmotnost roste rychlostí, která se vymyká uznávaným fyzikálním limitům. Mezinárodní vědecký tým pod vedením výzkumníků z Waseda University a Tohoku University v Japonsku objevil v raném vesmíru kvazar, který ukrývá jednu z nejrychleji rostoucích černých děr, jaká kdy byla na své hmotnostní škále pozorována.
Tento extrémní objekt byl označen jako J1016+2513 a nachází se v červeném posuvu z ≈ 7,07, což znamená, že jej vidíme v době, kdy byl vesmír starý jen asi 770 milionů let, tedy méně než 6 % jeho současného stáří. V té době se vesmír vynořoval z takzvané „epochy reionizace“, fáze, kdy první generace hvězd a galaxií přetvářely prvotní plyn, který vyplňoval vesmír.
Pomocí dalekohledu Subaru, 8,2metrového optického a infračerveného teleskopu na ostrově Maunakea na Havaji, astronomové určili, že tento objekt prochází akrecí (zachycováním hmoty) asi 13krát rychleji, než je takzvaná Eddingtonova mez, maximální udržitelná rychlost růstu podle standardní teorie.
Tento kvazar, pozorovaný v podobě, v jaké se nacházel přibližně před 12 miliardami let, nejenže překračuje tento kosmologický „rychlostní limit“, ale také vykazuje kombinaci vlastností, které mnohé teoretické modely považovaly za obtížně koexistující.
Zatímco objekt pohlcuje hmotu závratnou rychlostí, současně vyzařuje jasné rentgenové záření a vykazuje silnou rádiovou emisi, která se připisuje silnému proudu relativistických částic unikajících podél pólů černé díry. Tato nečekaná kombinace nabízí nový pohled na to, jak tato vesmírná monstra v počátcích vesmíru tak rychle vyrostla.
Co je to Eddingtonova mez a proč se jí tato černá díra vzpírá
Abychom pochopili, proč je toto zjištění tak zarážející, stojí za to objasnit, co je to Eddingtonova mez. Když plyn padá do černé díry, zahřívá se a vyzařuje světlo. Toto záření působí tlakem směrem ven, který je v rozporu s gravitací, jež táhne plyn dovnitř. Eddingtonova mez je rovnovážný bod: rychlost akrece, při níž je tlak záření tak intenzivní, že teoreticky brání stabilnímu vstupu další hmoty.
Zjednodušeně řečeno, je to jako snažit se nalít další vodu do trychtýře, zatímco v opačném směru vane velmi silný proud vzduchu: nad určitou intenzitou vzduchu přestane voda snadno vtékat. Podle klasické teorie mohou černé díry stabilně růst pouze tehdy, pokud se drží blízko této hranice, ale ne o mnoho nad ní.
Zdá se však, že černá díra v J1016+2513 pohlcuje hmotu rychlostí 13krát vyšší, než je tato hodnota. Tento režim se nazývá super-Eddingtonova akrece. Současné modely již s možností super-Eddingtonových epizod počítaly, ale předpokládalo se, že budou krátkodobé, nestabilní a že drasticky změní strukturu padajícího plynu, což sníží rentgenovou emisi a oslabí jety.
Skutečnost, že tento kvasar vykazuje současně super-Eddingtonův růst, velmi aktivní rentgenovou korónu a silný jet, naznačuje, že rovnováha mezi gravitací, zářením a magnetickými poli v okolí černé díry je složitější, než se dosud předpokládalo.
Objekt, který nově definuje modely růstu
Super-Eddingtonův růst je klíčovou teorií vysvětlující, jak některé supermasivní černé díry narostly do obrovských rozměrů v relativně krátkém kosmickém čase. V raném vesmíru již byly detekovány černé díry o hmotnosti miliard Sluncí, což je obtížně vysvětlitelné, pokud by rostly pouze pomalu, při respektování Eddingtonovy meze z malých zárodků.
Jedna z velkých otázek moderní kosmologie zní právě takto: jak tito obři vznikli tak rychle? Existují dvě velké rodiny představ:
- Lehká semena: černé díry vzniklé zhroucením prvních hmotných hvězd (s několika desítkami nebo stovkami hmotností Slunce), které pak velmi efektivně rostou.
- Těžká semena: přímý kolaps obrovských oblaků plynu (až 10⁴-10⁶ hmotností Slunce), které dávají vzniknout velmi hmotným černým dírám již od samého počátku.
V obou scénářích dosažení hmotností pozorovaných u velmi vzdálených kvasarů obvykle vyžaduje vyvolání super-Eddingtonových akrečních fází. Numerické modely však naznačily, že během těchto extrémních fází by vnitřní struktura toku hmoty mohla potlačit rentgenové záření (pohlcením nebo „udušením“ horké koróny, která je produkuje) a relativistické jety by mohly být méně výrazné.
Objev tohoto kvasaru, který jasně září na obou frontách, je v rozporu s těmito očekáváními a naznačuje existenci fyzikálních mechanismů, které dosud nejsou zcela pochopeny. Mohlo by se jednat například o velmi silná magnetická pole, která účinněji směrují plyn k černé díře, nebo o geometrické konfigurace akrečního disku, které umožňují únik části záření, aniž by se příliv hmoty tolik zpomalil.
Jak byl tento extrémní kvasar pozorován
Identifikace J1016+2513 byla možná díky kombinaci velkých dalekohledů a pozorování na více vlnových délkách. Dalekohled Subaru hrál klíčovou roli při výběru a potvrzení kvasaru pomocí spektroskopie, ale nebyl jediným zapojeným přístrojem.
- Optické a infračervené: hluboká pozorování v těchto pásmech nám umožnila změřit červený posuv (z ≈ 7,07) a odhadnout svítivost kvasaru, stejně jako některé vlastnosti okolního plynu.
- Rentgenové záření: právě kosmické dalekohledy, jako je Chandra nebo XMM-Newton, odhalují přítomnost velmi energetické horké koróny v blízkosti černé díry, která je zodpovědná za intenzivní rentgenové záření.
- Rádiové: radioteleskopy, jako je Very Large Array (VLA), detekují záření produkované relativistickým tryskem, který sahá daleko za bezprostřední okolí černé díry a může interagovat s plynem hostitelské galaxie.
Kombinace všech těchto dat nám umožňuje rekonstruovat ucelený obraz: supermasivní černá díra uprostřed „výronu“ plynu, obklopená velmi svítivým akrečním diskem, aktivní rentgenovou korónou a tryskou chrlící hmotu rychlostí blízkou rychlosti světla.
Přechodná a bouřlivá fáze
Tým předpokládá, že by mohl pozorovat černou díru v krátké přechodné fázi, možná těsně po prudkém výronu plynu, který k ní spadl. V tomto scénáři mohla náhlá lavina hmoty uvrhnout systém do super-Eddingtonova stavu, zatímco koróna (zdroj rentgenového záření) a silný jet zůstávají po omezenou dobu současně aktivní.
Takové epizody mohou být spojeny se splynutím galaxií nebo nestabilitou v plynném disku hostitelské galaxie, která v krátkém čase nalije velké množství materiálu směrem do centra. Během těchto akrečních „špiček“ může černá díra velmi rychle nabývat na hmotnosti, což pomáhá vysvětlit, jak mohou dosáhnout tak obrovských rozměrů v tak krátkém kosmickém čase.
Pokud jsou tyto epizody v raném vesmíru časté, ale velmi krátké, vysvětlovalo by to, proč bylo dosud objeveno tak málo objektů s tak extrémními vlastnostmi: jednalo by se o prchavé fáze, které spatříme, jen pokud se „podíváme“ ve správný okamžik.
Vliv na hostitelskou galaxii: zpětná vazba a tvorba hvězd
Tento objev má hluboké důsledky pro pochopení vývoje galaxií. Zjištěná intenzivní rádiová stopa je dostatečně energetická na to, aby ovlivnila hostitelskou galaxii a dodala jí energii, která může regulovat tvorbu hvězd a formovat koevoluci mezi galaxiemi a černými dírami.
Když je supermasivní černá díra aktivní jako kvasar, nejenže roste: také vrací energii svému okolí prostřednictvím záření, větrů a trysek. Tento proces je znám jako zpětná vazba z AGN (aktivní galaktické jádro). V případě J1016+2513 by se mohlo jednat o rádiově detekovaný relativistický jet:
- Ohřívat nebo vytlačovat chladný plyn z galaxie, což by ztížilo jeho kondenzaci za vzniku nových hvězd.
- Stlačovat oblaka plynu v určitých oblastech, což by mohlo vyvolat epizody vzniku hvězd v určitých oblastech.
- Změnit velkorozměrové rozložení plynu a ovlivnit tak budoucí vývoj galaxie.
Souvislost mezi super-Eddingtonovým růstem a zpětnou vazbou poháněnou tryskami je dosud z velké části neprozkoumaná a tento objekt poskytuje nové měřítko pro testování těchto myšlenek v raném vesmíru. Pozorování interakce jetů s okolním prostředím při tak vysokém červeném posuvu může pomoci pochopit, proč některé galaxie přestávají tvořit hvězdy relativně brzy, zatímco jiné zůstávají aktivní po miliardy let.
Co nám to říká o prvních černých dírách ve vesmíru
V posledních letech odhalily dalekohledy, jako je vesmírný teleskop Jamese Webba (JWST), existenci překvapivě hmotných a strukturovaných galaxií ve velmi raném období vesmíru. Současně byly objeveny velmi vzdálené kvazary s černými dírami většími než miliarda hmotností Slunce v době, kdy byl vesmír starý méně než miliardu let.
Tento nový kvasar zapadá do tohoto obrazu jako klíčový důkaz: přímo ukazuje, že černé díry mohou růst mnohem vyšší rychlostí, než bylo považováno za rozumné, a to ve významných časových intervalech. To posiluje myšlenku, že super-Eddingtonova akrece není jen teoretickou kuriozitou, ale zásadní složkou rané historie vesmíru.
Navíc skutečnost, že J1016+2513 je radiově jasná, z ní činí cenný nástroj pro studium kosmického prostředí, v němž se nachází. Rádiové jety mohou sloužit jako „majáky“, které osvětlují mezigalaktický plyn a umožňují nám zkoumat, jaké bylo prostředí mezi galaxiemi v době reionizace.
Přirozená laboratoř pro extrémní fyziku
Rychle rostoucí supermasivní černé díry jsou přirozenou laboratoří pro testování teorií gravitace, magnetohydrodynamiky a fyziky plazmatu v podmínkách, které na Zemi nelze reprodukovat. V bezprostředním okolí černé díry, jako je J1016+2513, jsou:
- Velmi silná gravitační pole, kde převládají účinky Einsteinovy obecné relativity.
- Rychlosti blízké rychlosti světla v akrečním disku a tryskách.
- Velmi silná magnetická pole, která usměrňují plyn a urychlují částice na extrémní energie.
Srovnání pozorování, jako je pozorování tohoto kvasaru, s pokročilými numerickými simulacemi pomáhá zpřesnit modely akrečních disků, tvorby jetů a rentgenové emise. Umožňuje nám také zkoumat, do jaké míry jsou teoretické limity, jako je Eddingtonův limit, skutečně „tvrdými limity“ nebo spíše pružnými prahovými hodnotami, které lze za určitých podmínek překročit.
Co bude dál: Budoucí pozorování
Objev J1016+2513 otevírá dveře nové generaci studií. Mezi další směry výzkumu patří:
- Pátrání po dalších super-Eddingtonových kvazarech v raném vesmíru, abychom zjistili, zda je tento objekt výjimečný, nebo zda je špičkou ledovce větší populace.
- Podrobnější pozorování v rentgenovém, rádiovém a infračerveném záření, aby bylo možné lépe charakterizovat strukturu disku, koróny a jetu.
- Využít teleskopy nové generace, jako je například radiová soustava Square Kilometre Array (SKA) nebo budoucí rentgenové observatoře, ke studiu interakce jetu s okolním prostředím.
Čím více příkladů černých děr rostoucích tak extrémní rychlostí najdeme, tím lépe budeme schopni rekonstruovat historii vzniku prvních galaxií a toho, jak se z nich stali obři, které pozorujeme dnes.
Sakiko Obuchi, hlavní autorka studie z Waseda University, uvedla, že tento objev přibližuje astronomy k pochopení toho, jak supermasivní černé díry vznikaly tak rychle. Výsledky tohoto výzkumu, publikované v časopise The Astrophysical Journal, byly podpořeny pozorováními z teleskopu Subaru v Maunakea na Havaji a doplňujícími údaji z dalších observatoří, které potvrdily extrémní povahu tohoto kvasaru.
Objekty jako J1016+2513 nám nakonec připomínají, že raný vesmír byl mnohem dynamičtějším a bouřlivějším místem, než se po desetiletí předpokládalo, a že ještě zdaleka nerozumíme všem mechanismům, které formovaly první vesmírné struktury.