Sciencemag.cz
Doporučujeme
V blízkých („současných“, „dospělých“) galaxiích, jako je naše Mléčná dráha, celková hmotnost hvězd výrazně převyšuje hmotnost centrální černé díry v poměru přibližně 1 000 : 1. V nově objevených vzdálených („raných“, „mladých“, „starých“) galaxiích však tento podílí klesá na 100 nebo 10 : 1, a dokonce na 1 : 1, což znamená, že černá díra se může rovnat celkové hmotnosti hvězd své hostitelské galaxie.
Takové jsou výsledky pod pozorování Vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST). Až do uvedení JWST do provozu koncem roku 2021 se astronomové při studiu vzdálených černých děr zpravidla omezovali na velmi jasné kvasary, které zcela zastiňují hvězdy ve svých hostitelských galaxiích. Hlavním autorem nové studie byl Fabio Pacucci z Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian.
„Zjistili jsme, že vzdálené, mladé galaxie porušují vztah mezi hmotností černých děr a hvězd, který velmi dobře platí u blízkých, zralých galaxií: tyto prvotní černé díry jsou nepochybně „nadměrně“ hmotné vzhledem k populaci hvězd ve svých galaxiích,“ uvedl spoluautor studie Roberto Maiolino z univerzity v Cambridge. „Díky JWST bude možné přesně určit, jak se první supermasivní černé díry zformovaly. Objevíme černé díry, které jsou vzdálenější a menší než ty, které byly nalezeny doposud; naše studie o nich předpovídá, že budou poměrně hojné.“
Vědci provedli statistickou analýzu souboru 21 galaxií, které jsou od nás vzdáleny přibližně 12 až 13 miliard světelných let a byly pozorovány v rámci tří publikovaných přehlídek JWST. Těchto 21 galaxií ukrývá centrální černé díry s typickou hmotností odhadovanou na desítky nebo stovky milionů hmotností Slunce – sice supermasivní, ale relativně malé ve srovnání s černými dírami, které pohánějí většinu dosud pozorovaných vzdálených kvasarů, jejichž hmotnost bývá řádově miliardkrát větší než hmotnost Slunce.
„Celkově vidíme, že černé díry v mladých galaxiích pozorovaných pomocí JWST jsou asi desetkrát až stokrát hmotnější, než předpovídá vztah škálování v místním vesmíru,“ říká Xiaohui Fan z Arizonské univerzitě a další spoluautor studie. „Poměr hmotnosti hvězd a černých děr v raných galaxiích byl tehdy, před více než 12 miliardami let, mnohem nižší než nyní. Tento výsledek má důležité důsledky pro studium první populace černých děr.“
Přesný odhad tohoto poměru by měl pomoci naznačit, jak vznikali předchůdci supermasivních černých děr – („semena“, seeds). Obecně astronomové nastínili dvě hlavní možnosti: „lehká“ nebo „těžká“ semena. Lehké zárodky černých děr by měly relativně malou hmotnost, asi 100 až 1000 Sluncí. Tato lehká semena by vznikla jako pozůstatky prvních obřích hvězd ve vesmíru. Druhou možností jsou těžké černé díry, které by začínaly s hmotností kolem 10 000 až 100 000 Sluncí. Taková těžká semena by teoreticky vznikala přímým gravitačním kolapsem obřích oblaků plynu.
Mechanismus těžkých semen, který vytváří podmínky pro růst z mnohem vyššího výchozího bodu, by měla usnadnit rychlý vznik velmi raných supermasivních černých děr, které vědci objevují v posledních dvaceti letech ve stále větších vzdálenostech. Nové objevy supermasivních černých děr dodávají myšlence těžkých semen na věrohodnosti, protože simulace a teoretické výpočty této cesty předpovídají, že černé díry by pak měly být zhruba stejně hmotné nebo dokonce hmotnější než hvězdy v jejich mladých galaxiích.
To, jak se pak galaxie formovaly a spoluvytvářely kolem prvotních semen černých děr, zůstává ovšem pro astrofyziku otevřenou otázkou. Rostly černé díry převážně vtahováním plynu, nebo splynutím s jinými černými dírami? A vznikala hvězdná hmota převážně uvnitř galaxie, nebo bylo zapotřebí splynutí s jinými, většími galaxiemi? Autoři studie očekávají, že odpovědi se začnou objevovat díky dalším studiím JWST.
Fabio Pacucci et al, JWST CEERS and JADES Active Galaxies at z = 4–7 Violate the Local M •–M ⋆ Relation at >3σ: Implications for Low-mass Black Holes and Seeding Models, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/ad0158
Zdroj: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Dá se předpokládat, že nejlépe jsou vidět ty nejzářivější kvasary s největšími černými děrami. Vzhledem k tomu by asi bylo vhodné nalézt podobného bumbrlíčka někde poblíž, aby se ukázalo, že to dává smysl. Pokud je rozložení hmoty na velkých škálách rovnoměrné, samozřejmě v rámci lokálních minim a maxim, předpokládal bych, že někde poblíž musí být oharek z dávných dob, který se prostě jen tak neschová. Třeba to je onen Velký atraktor. Uvidíme za padesát milionů let…