Co jedzą supermasywne czarne dziury? W końcu znamy odpowiedź

Okazuje się bowiem, że ten gaz jest idealnym pożywieniem dla supermasywnych czarnych dziur, znajdujących się w centrach galaktyk. A właściwie był – obecne obserwacje pokazują nam obraz sprzed 12,5 mld lat. Gazowe spiżarnie mogą okazać się wyjaśnieniem, w jaki sposób kosmiczne potwory w postaci supermasywnych czarnych dziur rosły tak szybko podczas okresu w historii Wszechświata znanego jako kosmiczny świt.

Astronomowie od lat zastanawiają się, w jaki sposób supermasywne czarne dziury były w stanie tak szybko i tak wcześnie (w historii Wszechświata) urosnąć do obecnych rozmiarów. Istnienie tych wczesnych potworów o masach kilku miliardów razy większych niż masa Słońca jest sporą zagadką.

Ich ogromny rozmiar oznacza, że pierwsze czarne dziury, które mogły uformować się w efekcie zapadania się pierwszych gwiazd, musiały rosnąć bardzo szybko. Jak dotąd jednak astronomowie nie dostrzegli pożywienia czarnej dziury – gazu i pyłu – w wystarczająco dużych ilościach, aby wyjaśnić tak gwałtowny wzrost.

Sprawę skomplikowały jeszcze bardziej wcześniejsze obserwacje przy pomocy ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), które ukazały mnóstwo gazu i pyłu we wczesnych galaktykach, który zasilał szybkie powstawanie gwiazd. Obserwacje ALMA sugerowały, że nieco materii może pozostać do zasilania czarnej dziury. Ale nie na tyle dużo, aby wytłumaczyć ogromny rozmiar supermasywnych czarnych dziur.

Aby rozwiązać tę zagadkę, Farina wraz ze współpracownikami użyli instrumentu MUSE na Bardzo Dużym Teleskopie (VLT) na chilijskiej pustyni Atakama do zbadania kwazarów — ekstremalnie jasnych obiektów zasilanych przez supermasywne czarne dziury znajdujące w centrach masywnych galaktyk. W ramach badań sprawdzono 31 kwazarów widocznych w stanie, jaki miały ponad 12,5 miliarda lat temu, czyli w czasach, gdy Wszechświat był w wieku niemowlęcym i miał zaledwie około 870 milionów lat. To jedna z największych zbadanych próbek kwazarów z wczesnej historii Wszechświata.

Astronomowie odkryli, iż 12 kwazarów jest (a właściwie było) otoczonych gigantycznymi rezerwuarami gazu wodorowego, rozciągniętymi się na 100 tys. lat świetlnych od centralnych czarnych dziur i mających masę miliardów mas Słońca. Zespół z Niemiec, Stanów Zjednoczonych, Włoch i Chile ustalił także, że gazowe halo były ściśle związane z galaktykami, dostarczając idealnego źródła pożywienia do wzrostu supermasywnych czarnych dziur i procesów gwiazdotwórczych.

Badania były możliwe dzięki nadzwyczajnej czułości instrumentu MUSE, Multi Unit Spectroscopic Explorer, na należącym do ESO teleskopie VLT, który Farina nazywa instrumentem robiącym różnicę w badaniach nad kwazarami.

O ile kwazary są jasne, to zasoby gazu wokół nich są znacznie trudniejsze do zaobserwowania, ale MUSE potrafi wykryć słabą poświatę gazu wodorowego w halo, pozwalając astronomom w końcu dostrzec zapasy żywności, które zasilały supermasywne czarne dziury we wczesnych Wszechświecie.

W przyszłości, budowany przez ESO Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT) pomoże naukowcom ukazać jeszcze więcej szczegółów na temat galaktyk i supermasywnych czarnych dziur w okresie zaraz po Wielkim Wybuchu. Niewykluczone więc, że uda nam się odkryć o wiele więcej takich gazowych mgławic, dzięki czemu rozmiar tych największych czarnych dziur przestanie być jakąkolwiek tajemnicą.