Naukowcy lepiej zrozumieli, jak wędrujące czarne dziury mogą rosnąć podczas podróży przez galaktykę

Astronomowie odkryli pierwsze bezpośrednie dowody na to, że wędrująca czarna dziura może aktywnie akreować gaz przechwytywany podczas przemieszczania się przez galaktykę. Obserwacje obiektu w galaktyce UGCA 320 potwierdziły mechanizm przewidywany dotąd jedynie teoretycznie.

Wędrujące czarne dziury mogą rosnąć poza centrami galaktyk

W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem Xina Li z Westlake University odkryli pierwsze bezpośrednie dowody na to, że wędrująca czarna dziura (wandering black hole) może zasilać się gazem, który przyciąga za sobą podczas przemieszczania się przez galaktykę, w której się znajduje. Astronomowie wskazują, że tym samym udało się zaobserwować mechanizm akrecji, którego istnienie przewidywano wcześniej jedynie teoretycznie. Badanie zostało opublikowane w serwisie arXiv.

Badana czarna dziura znajdowała się w UGCA 320, nieregularnej galaktyce karłowatej, oddalonej o około 20 milionów lat świetlnych. Zdjęcie wykonane przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a pokazało, że obiekt ten znajdował się poza głównym dyskiem gwiazdotwórczym struktury macierzystej. Obserwacje MUSE z 2021 roku ujawniły szerokie linie emisyjne wodoru z serii Balmera, czyli charakterystyczne linie widoczne w widmie światła emitowanego przez wodór. Ich obecność wskazywała na akreującą masywną czarną dziurę. Na ich podstawie naukowcy oszacowali masę obiektu na około 35 tysięcy mas Słońca. Kilka niezależnych obserwacji potwierdza, że jest to akreująca czarna dziura o masie pośredniej (czarna dziura o masie większej niż czarna dziura o masie gwiazdowej, ale mniejszej od supermasywnej czarnej dziury).

Zdaniem astronomów cechy tego obiektu wskazywały, że jest on czarną dziurą o masie pośredniej. Mają one masy od 100 do 100 tysięcy razy większe od masy Słońca. Badacze uważają, że są one zalążkami supermasywnych czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk. Przewidują, że niektóre z nich mogą z czasem oddalić się od bogatych w gaz centrów galaktyk, które zazwyczaj dostarczają im materii.

Obserwacje ujawniły ślad akrecji

W przeciwieństwie do czarnych dziur znajdujących się w centrach galaktyk te wędrujące mają ograniczony dostęp do mechanizmów, które mogą kierować gaz w ich stronę, takich jak zderzenia galaktyk, oddziaływania pływowe, kolizje obłoków i chłodzenie gazu. Dlatego sposób, w jaki te czarne dziury o pośredniej masie mogą rosnąć do rozmiarów supermasywnych, osiągając masy od milionów do miliardów razy większe od masy Słońca, pozostawał dotąd zagadką.

Naukowcy zaproponowali mechanizm, który mógł wyjaśniać, w jaki sposób takie czarne dziury mogły rosnąć. W przypadku wędrującej czarnej dziury jednym z możliwych sposobów akrecji mogło być przechwytywanie gazu z grawitacyjnego śladu (gravitational wake) powstającego podczas jej przemieszczania się przez ośrodek międzygwiazdowy. Taki proces określano jako akrecję Bondiego-Hoyle’a-Lyttletona (BHL).

Grawitacyjny ślad dostarcza gazu czarnej dziurze

Zgodnie z tym założeniem, gdy wędrująca czarna dziura przemieszcza się przez gaz wypełniający galaktykę, jej grawitacja przyciąga znajdujące się w pobliżu cząsteczki. Gaz przyciągany grawitacyjnie w stronę czarnej dziury z wielu kierunków zbiega się i gromadzi w gęstszym strumieniu pozostającym za nią. Gęstszy obszar stanowi właśnie „grawitacyjny ślad”. W tym scenariuszu czarna dziura mogłaby zasilać się przechwyconym gazem.

To grawitacyjne skupianie gazu tworzyłoby również falę uderzeniową przed czarną dziurą. Badacze oczekują, że otaczający ją materiał utworzy asymetryczną strukturę przepływu składającą się z kilku jego składników.

Trzy elementy przewidywane przez teorię

Astronomowie zbadali, czy taki mechanizm występuje w przypadku wędrującej czarnej dziury w UGCA 320, wykorzystując obserwacje spektroskopowe. Analizy ujawniły wszystkie trzy składniki przewidywane przez teorię. Były to gaz o małej gęstości znajdujący się przed czarną dziurą, gęstszy gaz pozostający za nią oraz jego skupiska wyznaczające tor przepływu materii do obiektu.

Zmiany emisji dostarczyły dodatkowej wskazówki

Naukowcy odkryli również kolejną wskazówkę w zmieniającym się z czasem wyglądzie czarnej dziury. Obserwacje spektroskopowe wykazały, że szerokie linie emisyjne wodoru, które były wyraźne w 2021 roku, niemal całkowicie zniknęły do czerwca 2025 roku. Częściowo pojawiły się ponownie w lipcu 2025 roku, a następnie ponownie osłabły do kwietnia 2026 roku. Badacze sugerują, że gęste skupiska gazu znajdujące się w strumieniu materii opadającej na czarną dziurę mogły okresowo przesuwać się przed obszar, z którego pochodziły te emisje, zasłaniając go w obserwacjach prowadzonych z Ziemi.

Astronomowie podsumowują, że ich odkrycie dostarczyło obserwacyjnych dowodów na to, że wędrujące czarne dziury o masie pośredniej mogą aktywnie akreować materię za pośrednictwem grawitacyjnych śladów. Ich zdaniem ten nowo odkryty sposób akrecji może być ważną wskazówką pozwalającą zrozumieć, w jaki sposób takie obiekty rosną, zanim ostatecznie opadną do centrów galaktyk i przekształcą się w supermasywne czarne dziury.

Emil Gołoś