Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες (SMBH) βρίσκονται στο κέντρο γαλαξιών όπως ο Γαλαξίας. Είναι εκπληκτικά τεράστιες, που κυμαίνονται από 1 εκατομμύριο έως 10 δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες. Τα μικρότερα αδέρφια τους, οι μαύρες τρύπες μέσης μάζας (IMBH), που κυμαίνονται μεταξύ 100 και 100.000 ηλιακών μαζών, είναι πιο δύσκολο να βρεθούν.
Οι αστρονόμοι εντόπισαν μια μαύρη τρύπα μέσης μάζας να καταστρέφει ένα αστέρι που πλησίασε πολύ. Έχουν μάθει πολλά από τις παρατηρήσεις τους και ελπίζουν να βρουν ακόμη περισσότερες από αυτές τις μαύρες τρύπες. Η παρατήρηση περισσότερων από αυτά μπορεί να οδηγήσει στην κατανόηση του πώς τα SMBH έγιναν τόσο μαζικά.
Όταν ένα αστέρι πλησιάζει πολύ σε μια ισχυρή μαύρη τρύπα, εμφανίζεται ένα συμβάν παλιρροϊκής διακοπής (TDE). Το αστέρι σχίζεται και η συστατική του ύλη έλκεται στη μαύρη τρύπα, όπου πιάνεται στη μαύρη τρύπα δίσκος προσαύξησης . Το γεγονός απελευθερώνει μια τεράστια ποσότητα ενέργειας, ξεπερνώντας όλα τα αστέρια του γαλαξία για μήνες, ακόμη και χρόνια.
Αυτό συνέβη με το TDE 3XMM J215022.4-055108, το οποίο είναι πιο εύκολα γνωστό ως TDE J2150. Οι αστρονόμοι μπόρεσαν να εντοπίσουν το άπιαστο IMBH μόνο λόγω της έκρηξης των ακτίνων Χ που εκπέμπονταν από το καυτό αέριο από το αστέρι καθώς αυτό σχίστηκε. Το J2150 απέχει περίπου 740 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη προς την κατεύθυνση του αστερισμού του Υδροχόου. Τώρα μια ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε παρατηρήσεις του μακρινού J2150 και υπάρχοντα επιστημονικά μοντέλα για να μάθει περισσότερα για το IMBH.
Δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους σε μια εφημερίδα με τίτλο ' Περιορισμοί μάζας, περιστροφής και υπερελαφρών μποζονίων από τη μαύρη τρύπα ενδιάμεσης μάζας στο συμβάν παλιρροϊκής διακοπής 3XMM J215022.4?055108 .» Ο κύριος συγγραφέας είναι ο Sixiang Wen από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Η εργασία δημοσιεύεται στο The Astrophysical Journal.
«Το γεγονός ότι καταφέραμε να πιάσουμε αυτήν την αόρατη μαύρη τρύπα ενώ καταβρόχθιζε ένα αστέρι προσφέρει μια αξιοσημείωτη ευκαιρία να παρατηρήσουμε αυτό που διαφορετικά θα ήταν αόρατο».
Ann Zabludoff, συν-συγγραφέας του Πανεπιστημίου της Αριζόνα.
Τα IMBH είναι άπιαστα και δύσκολο να μελετηθούν. Οι αστρονόμοι έχουν βρει αρκετά από αυτά στον Γαλαξία και σε κοντινούς γαλαξίες. Κυρίως έχουν εντοπιστεί λόγω των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων τους χαμηλής φωτεινότητας. Το 2019 τα παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων LIGO και Virgo εντόπισαν ένα βαρυτικό κύμα από τη συγχώνευση δύο IMBH. Ως έχει τώρα, υπάρχει ένας κατάλογος με μόνο 305 υποψηφίους IMBH, παρόλο που οι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα μπορούσαν να είναι κοινά σε γαλαξιακά κέντρα.
Ένα από τα προβλήματα στη θέασή τους είναι η ίδια η χαμηλή μάζα τους. Ενώ τα SMBH μπορούν να βρεθούν παρατηρώντας πώς η μάζα τους επηρεάζει την αστρική δυναμική των κοντινών αστεριών, τα IMBH είναι συνήθως πολύ μικρά για να κάνουν το ίδιο. Η βαρύτητά τους δεν είναι αρκετά ισχυρή για να αλλάξει τις τροχιές των κοντινών αστεριών.
«Το γεγονός ότι καταφέραμε να πιάσουμε αυτή τη μαύρη τρύπα ενώ καταβρόχθιζε ένα αστέρι προσφέρει μια αξιοσημείωτη ευκαιρία να παρατηρήσουμε αυτό που διαφορετικά θα ήταν αόρατο», είπε η Ann Zabludoff, καθηγήτρια αστρονομίας στην Αριζόνα και συν-συγγραφέας στην εφημερίδα. 'Όχι μόνο αυτό, αναλύοντας τη λάμψη μπορέσαμε να κατανοήσουμε καλύτερα αυτήν την άπιαστη κατηγορία μαύρων τρυπών, η οποία μπορεί κάλλιστα να ευθύνεται για την πλειοψηφία των μαύρων οπών στα κέντρα των γαλαξιών.'
Αυτή είναι μια εικόνα Hubble του J2150 στον λευκό κύκλο. Βρίσκεται μέσα σε ένα πυκνό σμήνος αστεριών περίπου 740 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Οι εκπομπές ακτίνων Χ από το TDE χρησιμοποιήθηκαν για τον εντοπισμό του IMBH, αλλά χρειάζονταν οι δυνατότητες ορατού φωτός του Hubble για τον εντοπισμό της θέσης του. Πίστωση εικόνας: NASA, ESA και D. Lin (Πανεπιστήμιο του New Hampshire)
Ήταν η έκρηξη των ακτίνων Χ που έκανε το γεγονός ορατό. Η ομάδα συνέκρινε τις παρατηρούμενες ακτινογραφίες με μοντέλα και μπόρεσε να επιβεβαιώσει την παρουσία ενός IMBH. «Οι εκπομπές ακτίνων Χ από τον εσωτερικό δίσκο που σχηματίστηκαν από τα συντρίμμια του νεκρού άστρου μας έκαναν δυνατό να συμπεράνουμε τη μάζα και το σπιν αυτής της μαύρης τρύπας και να την ταξινομήσουμε ως μια ενδιάμεση μαύρη τρύπα», είπε ο επικεφαλής συγγραφέας Wen.
Αυτή είναι η πρώτη φορά που οι παρατηρήσεις είναι αρκετά λεπτομερείς ώστε να μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια έκλαμψη TDE για να επιβεβαιώσουμε την παρουσία ενός IMBH. Είναι μεγάλη υπόθεση, γιατί αν και γνωρίζουμε ότι οι SMBH βρίσκονται στο κέντρο γαλαξιών όπως ο Γαλαξίας και μεγαλύτεροι, η κατανόησή μας για τους μικρότερους γαλαξίες και τους IMBH τους είναι πολύ πιο περιορισμένη. Απλώς είναι πολύ δύσκολο να τα δεις.
«Γνωρίζουμε ακόμη πολύ λίγα για την ύπαρξη μαύρων τρυπών στα κέντρα γαλαξιών μικρότερων από τον Γαλαξία», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Peter Jonker από το Πανεπιστήμιο Radboud και το Ολλανδικό Ινστιτούτο Διαστημικής Έρευνας SRON, αμφότερα στην Ολλανδία. «Λόγω περιορισμών παρατήρησης, είναι δύσκολο να ανακαλύψουμε κεντρικές μαύρες τρύπες πολύ μικρότερες από 1 εκατομμύριο ηλιακές μάζες».
Το μυστήριο γύρω από τα IMBH τροφοδοτεί το μυστήριο που περιβάλλει τα SMBH. Μπορούμε να δούμε SMBH στην καρδιά μεγάλων γαλαξιών, αλλά δεν ξέρουμε ακριβώς πώς έγιναν τόσο μεγάλοι. Πέρασαν από συγχωνεύσεις; Μπορεί. Μέσω της συσσώρευσης της ύλης; Μπορεί. Οι αστροφυσικοί ως επί το πλείστον συμφωνούν ότι και οι δύο μηχανισμοί μπορεί να παίζουν κάποιο ρόλο.
Μια άλλη ερώτηση περιβάλλει τους «σπόρους» της SMBH. Οι σπόροι θα μπορούσαν να είναι IMBH δεκάδων ή εκατοντάδων ηλιακών μαζών. Τα ίδια τα IMBH θα μπορούσαν να έχουν αναπτυχθεί από μαύρες τρύπες αστρικής μάζας που μεγάλωσαν σε IMBH μέσω της συσσώρευσης ύλης. Μια άλλη πιθανότητα είναι ότι πολύ πριν υπάρξουν πραγματικά αστέρια, υπήρχαν μεγάλα νέφη αερίου που κατέρρευσαν σε οιονεί αστέρια, που στη συνέχεια κατέρρευσαν σε μαύρες τρύπες. Αυτές οι παράξενες οντότητες θα κατέρρεαν απευθείας από οιονεί αστέρι σε μαύρη τρύπα χωρίς ποτέ να γίνουν αστέρι, και είναι γνωστές ως άμεση κατάρρευση μαύρες τρύπες . Όλα αυτά όμως είναι υποθέσεις και μοντέλα. Οι αστροφυσικοί χρειάζονται πιο πραγματικές παρατηρήσεις, όπως στην περίπτωση του TDE J2150, για να επιβεβαιώσουν ή να αποκλείσουν οτιδήποτε.
«Ως εκ τούτου, εάν έχουμε μια καλύτερη διαχείριση για το πόσες καλόπιστες ενδιάμεσες μαύρες τρύπες υπάρχουν εκεί έξω, μπορεί να βοηθήσει να προσδιορίσουμε ποιες θεωρίες σχηματισμού υπερμεγέθων μαύρων τρυπών είναι σωστές», είπε ο Jonker.
Η εικονογράφηση αυτού του καλλιτέχνη απεικονίζει αυτό που οι αστρονόμοι αποκαλούν «γεγονός παλιρροϊκής διαταραχής» ή TDE, όταν ένα αντικείμενο όπως ένα αστέρι περιπλανιέται πολύ κοντά σε μια μαύρη τρύπα και καταστρέφεται από παλιρροϊκές δυνάμεις που δημιουργούνται από τις έντονες βαρυτικές δυνάμεις της μαύρης τρύπας. (Πίστωση: NASA/CXC/M.Weiss.
Η ομάδα των ερευνητών μπόρεσε επίσης να μετρήσει την περιστροφή της μαύρης τρύπας, η οποία έχει επιπτώσεις στην ανάπτυξη της μαύρης τρύπας, και ίσως και στη φυσική των σωματιδίων. Η μαύρη τρύπα περιστρέφεται γρήγορα, αλλά δεν περιστρέφεται όσο πιο γρήγορα γίνεται. Τίθεται το ερώτημα, πώς το IMBH πέτυχε ταχύτητα σε αυτό το εύρος; Η περιστροφή ανοίγει κάποιες δυνατότητες και εξαλείφει άλλες.
'Είναι πιθανό η μαύρη τρύπα να σχηματίστηκε με αυτόν τον τρόπο και να μην έχει αλλάξει πολύ από τότε, ή ότι δύο μαύρες τρύπες μέσης μάζας συγχωνεύτηκαν πρόσφατα για να σχηματίσουν αυτήν', είπε ο Zabludoff. «Γνωρίζουμε ότι η περιστροφή που μετρήσαμε αποκλείει σενάρια όπου η μαύρη τρύπα μεγαλώνει για μεγάλο χρονικό διάστημα από τη σταθερή κατανάλωση αερίου ή από πολλά γρήγορα σνακ αερίου που φτάνουν από τυχαίες κατευθύνσεις».
Ο ρυθμός σπιν μπορεί να ρίξει λίγο φως και στα πιθανά υποψήφια σωματίδια για τη σκοτεινή ύλη. Μια από τις υποθέσεις λέει ότι η σκοτεινή ύλη αποτελείται από σωματίδια που δεν έχουν δει ποτέ σε εργαστήριο, που ονομάζονται υπερελαφριά μποζόνια. Αυτά τα εξωτικά σωματίδια, αν υπάρχουν, θα είχαν λιγότερο από το ένα δισεκατομμυριοστό της μάζας ενός ηλεκτρονίου. Ο ρυθμός σπιν IMBH μπορεί να αποκλείσει την ύπαρξη αυτών των υποψηφίων σωματιδίων.
«Εάν αυτά τα σωματίδια υπάρχουν και έχουν μάζα σε ένα συγκεκριμένο εύρος, θα εμποδίσουν μια μαύρη τρύπα μέσης μάζας να έχει γρήγορη περιστροφή», δήλωσε ο συν-συγγραφέας Nicholas Stone. «Ωστόσο η μαύρη τρύπα του J2150 περιστρέφεται γρήγορα. Έτσι, η μέτρηση του σπιν μας αποκλείει μια ευρεία κατηγορία θεωριών υπερελαφρών μποζονίων, που παρουσιάζουν την αξία των μαύρων οπών ως εξωγήινα εργαστήρια για τη σωματιδιακή φυσική».
Αυτή η ανακάλυψη θα συμβάλει στην καλύτερη κατανόηση των νάνων γαλαξιών και των μαύρων τρυπών τους επίσης. Αλλά για να συμβεί αυτό, οι αστροφυσικοί πρέπει να παρατηρήσουν περισσότερα από αυτά τα γεγονότα παλιρροϊκής διαταραχής του IMBH.
«Αν αποδειχθεί ότι οι περισσότεροι νάνοι γαλαξίες περιέχουν μαύρες τρύπες μέσης μάζας, τότε αυτές θα κυριαρχήσουν στον ρυθμό αστρικής παλιρροϊκής διαταραχής», είπε ο Στόουν. 'Με την προσαρμογή της εκπομπής ακτίνων Χ από αυτές τις εκλάμψεις σε θεωρητικά μοντέλα, μπορούμε να πραγματοποιήσουμε μια απογραφή του πληθυσμού των μαύρων τρυπών μέσης μάζας στο σύμπαν', πρόσθεσε ο Wen.
Όπως συμβαίνει συχνά στην αστρονομία, την αστροφυσική και την κοσμολογία, τα μελλοντικά τηλεσκόπια και τα αστεροσκοπεία θα πρέπει να προωθήσουν σημαντικά τις γνώσεις μας. Σε αυτό, το Παρατηρητήριο Vera C. Rubin θα μπορούσε να παίξει ρόλο. Το Rubin μπορούσε να ανακαλύψει χιλιάδες TDEs κάθε χρόνο.
Τότε ίσως μπορέσουμε επιτέλους να συνθέσουμε την ιστορία όχι μόνο των IMBH αλλά και των SMBH.
Περισσότερο:
- Δελτίο τύπου: Έτσι μοιάζει όταν μια μαύρη τρύπα τρώει σνακ σε ένα αστέρι
- Δημοσιευμένη έρευνα: Περιορισμοί μάζας, περιστροφής και υπερελαφρών μποζονίων από τη μαύρη τρύπα μέσης μάζας στο συμβάν παλιρροϊκής διακοπής 3XMM J215022.4–055108
- Σύμπαν σήμερα: Πώς σχηματίστηκαν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες; Τα φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης που καταρρέουν μπορούν να τα εξηγήσουν