Οι μικροσκοπικοί γαλαξίες αποκαλύπτουν τα μυστικά των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών

Το 2008, η Marta Volonteri βοήθησε στην ανάπτυξη μιας ριζοσπαστικής πρότασης:Οι αστρονόμοι θα πρέπει να ψάξουν στον μικρότερο γαλαξία για κολοσσιαίες μαύρες τρύπες - ογκώδεις μεγαθήρια που ζυγίζουν πολλές χιλιάδες ηλιακές μάζες. Αν μπορούσαν να τα βρουν, σκέφτηκε, τα αντικείμενα θα μπορούσαν να μας διδάξουν πώς σχηματίστηκαν οι πρώτες μαύρες τρύπες του σύμπαντος.

Το μόνο πρόβλημα ήταν ότι οι μεγάλες μαύρες τρύπες δεν έπρεπε να υπάρχουν σε μικρούς γαλαξίες. Οι γαριδόμορφοι «νάνοι» γαλαξίες έμοιαζαν να μην έχουν τον βαρυτικό μυ που απαιτείται για να συσκευάσουν αρκετή μάζα σε μια μαύρη τρύπα. Σε πολλούς ερευνητές, φαινόταν σαν η Volonteri και οι συνεργάτες της να προτείνουν το αστροφυσικό ισοδύναμο της εύρεσης ενός βροντόσαυρου σε μια μπανιέρα.

«Οι μαύρες τρύπες σε νάνους γαλαξίες δεν ήταν νοητές», είπε ο Volonteri, τώρα στο Ινστιτούτο Αστροφυσικής CNRS στο Παρίσι.

Τότε οι αστρονόμοι άρχισαν να βρίσκουν τα θηρία. Τα τελευταία χρόνια, τα ισχυρά τηλεσκόπια και οι καινοτόμες στρατηγικές παρατήρησης επέτρεψαν στους ερευνητές να εξετάσουν πιο προσεκτικά τους νάνους γαλαξίες. Όταν το κάνουν, αναδύονται μαύρες τρύπες. Οι ανακαλύψεις υπογραμμίζουν πόσο λίγα γνωρίζουν οι αστροφυσικοί για τους τύπους μαύρων τρυπών που κατοικούν στο σύμπαν και τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι θεωρητικοί για να εξηγήσουν από πού προέρχονται όλες. Ένας ολοένα και πιο ακριβής απολογισμός μπορεί να βοηθήσει στην τελική εξήγηση των πρώιμων και μεγαλύτερων μαύρων τρυπών του σύμπαντος.

«Οι άνθρωποι συνεχίζουν να βρίσκουν περισσότερα από αυτά», είπε ο Ryan Hickox, ένας αστρονόμος στο Dartmouth College που πρόσφατα βοήθησε να εντοπιστεί ο ίδιος. "Μπορεί να υπάρχουν πολλά περισσότερα από αυτά τα πράγματα σε αυτούς τους γαλαξίες από όσα θα μπορούσαμε να βρούμε χρησιμοποιώντας τις παραδοσιακές τεχνικές."

Εκτός χάρτη

Οι νάνοι γαλαξίες είναι σχετικά αχαρτογράφητη αστρονομική περιοχή. Δέκα έως 100 φορές ελαφρύτεροι από τον Γαλαξία, τους λείπει το βαρυτικό moxie για να τραβήξουν τον εαυτό τους στα τακτοποιημένα στρογγυλά σχήματα που επιδέχονται θεωρητικότητες. Είναι επίσης αποσπασματικά, αμυδρά και γενικά δύσκολο να μελετηθούν λεπτομερώς. «Είναι ένα απόλυτο χάος», είπε ο Volonteri.

Αλλά τα μικροσκοπικά κουβάρια των αστεριών κρύβουν μυστικά που οι μεγαλύτεροι γαλαξίες έχουν ξεχάσει. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας είναι τα προϊόντα συνονθύλευμα περισσότερων από 10 δισεκατομμυρίων ετών mashup, στα οποία οι γαλαξίες συντρίβουν επανειλημμένα τους γείτονές τους, μεγαλώνοντας κάθε φορά. Οι νάνοι γαλαξίες παραμένουν μικροί είτε επειδή έχουν αποφύγει τις συναντήσεις με άλλους γαλαξίες, είτε επειδή σχηματίστηκαν σχετικά πρόσφατα και δεν είχαν πολλές πιθανότητες σύγκρουσης ακόμα. «Είναι πιο ήσυχα μέρη στο σύμπαν», είπε ο Priyamvada Natarajan, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale που συνεργάστηκε με τον Volonteri στην έρευνα (και ο οποίος είναι επί του παρόντος μέλος της συμβουλευτικής επιτροπής αυτού του περιοδικού).

Με αυτόν τον τρόπο, οι νάνοι γαλαξίες μοιάζουν με τους πρώτους γαλαξίες. Πίσω στα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος, όταν οι γαλαξίες μόλις ξεκινούσαν, σφυρηλάτησαν τα πρώτα αστέρια - και τις πρώτες μαύρες τρύπες. Πολλοί από αυτούς τους γαλαξίες συγκρούστηκαν με την πάροδο του χρόνου και οι μαύρες τρύπες τους συγχωνεύτηκαν. Μέσω κάποιου μείγματος συγχωνεύσεων και καταβρόχθισης της ύλης, οι πρώτες μαύρες τρύπες «σπόρων» μεγάλωσαν σε τέρατα που καυχώνται δισεκατομμύρια ηλιακές μάζες που φαίνεται να βρίσκονται στην καρδιά κάθε μεγάλου γαλαξία σήμερα.

Αλλά οι νάνοι γαλαξίες δεν έχουν βιώσει πολλές συγχωνεύσεις και τείνουν να έχουν λιγότερη ύλη για να τροφοδοτήσουν τις μαύρες τρύπες τους. Αυτές οι μοναδικές συνθήκες θα ήταν πιο πιθανό να παγώσουν τις μαύρες τρύπες σε σχετικά μη ανεπτυγμένες καταστάσεις που μοιάζουν με σπόρους, σκέφτηκαν οι Volonteri και Natarajan. Αν, δηλαδή, οι νάνοι γαλαξίες είχαν καθόλου μεγάλες μαύρες τρύπες.

Οι αστρονόμοι συνήθως εντοπίζουν ενεργά τροφοδοτούμενες μαύρες τρύπες στα κέντρα μεγάλων γαλαξιών από τους εκτυφλωτικά φωτεινούς πίδακες που εκπέμπουν, οι οποίοι πνίγουν τα γύρω αστέρια. Αλλά την εποχή της πρότασης του Volonteri και του Natarajan, οι ερευνητές δεν είχαν δει ξεκάθαρα σημάδια τέτοιων τροφικών φρενών στους νάνους γαλαξίες. Πολλοί αστρονόμοι αμφισβήτησαν την ύπαρξη των αντικειμένων.

Στη συνέχεια, το 2013, οι ερευνητές αποκάλυψαν τη μητρική λοδού.

Η Έιμι Ρέινς, μια αστροφυσικός τώρα στο Πανεπιστήμιο της Μοντάνα, ηγήθηκε μιας ανάλυσης δεδομένων από την Έρευνα Ψηφιακού Ουρανού Sloan που αναζητούσε ενεργητικά μοτίβα ορατού φωτός, τυπικά για τις μαύρες τρύπες. Από τους 25.000 περίπου νάνους γαλαξίες που εξέτασε ο αλγόριθμός της, οι 151 έδειξαν σημάδια ότι φιλοξενούσαν αναπτυσσόμενες μαύρες τρύπες εκατοντάδων χιλιάδων ηλιακών μαζών. Ήταν ανεπιβεβαίωτοι υποψήφιοι, αλλά ο αριθμός τους άφησε ελάχιστα περιθώρια αμφιβολίας:Νάνοι γαλαξίες μπορούσαν να σμιλεύσουν τεράστιες μαύρες τρύπες.

Ξαφνικά, η πρόταση του Volonteri φάνηκε λιγότερο ριζοσπαστική. Είπα, «Ευχαριστώ, Έιμι. Με κάνεις να νιώθω ότι είμαι λογικός άνθρωπος», θυμάται.

Μια μυθιστορηματική λάμψη

Τώρα οι αστρονόμοι έχουν βρει νέους τρόπους για να βρουν περισσότερους από αυτούς τους κρυμμένους γίγαντες.

Η Mallory Molina, ένας αστρονόμος που συνεργάζεται με τον Reines στην πολιτεία της Μοντάνα, σκόνταψε σε μια νέα τεχνική από καθαρή τύχη. Ενώ προσπαθούσε να επιβεβαιώσει έναν από τους υποψηφίους του Reines από μια ραδιοφωνική έρευνα, η Molina παρατήρησε μια ιδιαίτερη πορτοκαλί λάμψη. Η ακτινοβολία ήταν ένα ενδεικτικό σημάδι των ατόμων σιδήρου που είχαν χτυπηθεί τόσο πολύ που έχασαν εννέα ηλεκτρόνια - τη λεγόμενη γραμμή «Fe X» (ή «Σίδηρος 10»). Οι ερευνητές έλεγξαν έναν άλλο υποψήφιο και βρήκαν το ίδιο χαρακτηριστικό. Αν και κανένα από τα δύο αντικείμενα δεν είχε την παραδοσιακή εμφάνιση μιας τροφοδοτούμενης μαύρης τρύπας, ήταν δύσκολο να φανταστεί κανείς τι άλλο θα μπορούσε να κάνει τέτοια βία στα άτομα σιδήρου.

Ο Μολίνα έγραψε κώδικα για να ψάξει σε περίπου 46.000 νάνους γαλαξίες που παρατηρήθηκαν από το Sloan Digital Sky Survey και βρήκε ότι 81 γαλαξίες έλαμπαν με το αχνό πορτοκαλί του κατεστραμμένου σιδήρου. Ο Molina και οι συνάδελφοί τους υποστηρίζουν ότι σε αυτούς τους νάνους γαλαξίες, μια γιγάντια μαύρη τρύπα θερμαίνει το αέριο γύρω της αρκετά ώστε να εκτινάξει ηλεκτρόνια από τα άτομά τους. Δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στο The Astrophysical Journal τον Νοέμβριο.

Αυτές οι μαύρες τρύπες καταλαμβάνουν γαλαξίες πέρα ​​από προηγούμενες έρευνες, οι οποίες προσπάθησαν να ξεχωρίσουν τη λάμψη των ενεργών μαύρων οπών ενάντια στην εκθαμβωτική ακτινοβολία των μωρών αστεριών. (Η Molina παρομοιάζει την προσπάθεια με την αναζήτηση φακού ενώ ένας προβολέας λάμπει στα μάτια σας.) Το ξεχωριστό χρώμα της γραμμής Fe X κάνει μεγάλες μαύρες τρύπες να ξεπροβάλλουν στο φόντο, δείχνοντας ότι μικρότεροι νάνοι με πολλά αστρικά φυτώρια μπορούν επίσης να φιλοξενήσουν γιγάντια μαύρες τρύπες.

«Είμαι τόσο χαρούμενος που βλέπω ότι υπάρχουν νέοι τρόποι εύρεσης μαύρων τρυπών», είπε ο Volonteri, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. «Είναι τόσο αχνοί. Γι' αυτό ήταν τόσο απελπιστικό."

Τα διαστημικά τηλεσκόπια έχουν επίσης βοηθήσει στην αποκάλυψη κρυμμένων μαύρων τρυπών. Πέρυσι, ο Hickox και ο μαθητής του Jack Parker επανεξέτασαν οκτώ σχετικά κοντινές περιπτώσεις από την έρευνα του Reines το 2013. Στόχευσαν το διαστημικό παρατηρητήριο ακτίνων Χ Chandra της NASA σε κάθε νάνο γαλαξία για περίπου τέσσερις ώρες. Ένας από τους οκτώ γαλαξίες είχε μια κηλίδα στο κέντρο του που έλαμπε πιο λαμπερή με ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας από ακτίνες Χ χαμηλής ενέργειας, υποδηλώνοντας ότι η ακτινοβολία διαπερνούσε ένα πυκνό νέφος αερίου — ακριβώς το είδος του νέφους που θα μπορούσε να είναι που καλύπτει πλήρως τις μαύρες τρύπες σε πιο μακρινούς γαλαξίες. Περιέγραψαν τα αποτελέσματά τους σε ένα συνέδριο της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας τον Ιανουάριο και τα προετοιμάζουν για δημοσίευση.

Ενώ τα αποτελέσματα αυξάνουν τις πιθανότητες ότι πολλοί νάνοι γαλαξίες έχουν τεράστιες μαύρες τρύπες, το κλάσμα που τις κατέχει παραμένει έντονες συζητήσεις. Το 2008, οι αστρονόμοι θα έλεγαν ότι το κλάσμα ήταν κοντά στο μηδέν. Ο πραγματικός αριθμός εξαρτάται από το ποσοστό των μαύρων οπών που τρέφονται ενεργά (και επομένως λάμπουν) και το ποσοστό των φωτεινών μαύρων οπών που καλύπτονται από αέριο και σκόνη. Εάν αυτά τα ποσοστά είναι παρόμοια με αυτά που παρατηρούνται στα υπερμεγέθη αδέρφια τους (το οποίο είναι επί του παρόντος ένα μεγάλο αν), τεράστιες μαύρες τρύπες θα μπορούσαν να κατοικούν στην πλειονότητα των νάνων γαλαξιών.

"Αυτό το επιχείρημα ότι δεν είναι τόσο συνηθισμένο μπορεί να αρχίσει να καταρρέει", είπε ο Hickox.

Οι πρώτες μαύρες τρύπες

Όταν η Volonteri προέτρεψε για πρώτη φορά τους αστρονόμους να βρουν πόσο συνηθισμένες ήταν οι μαύρες τρύπες των νάνων γαλαξιών το 2008, το έκανε επειδή η απάντηση θα μπορούσε να βοηθήσει στη διάκριση μεταξύ δύο εξηγήσεων για μια φαινομενικά αδύνατη ανακάλυψη.

Λίγα χρόνια πριν, το Sloan Digital Sky Survey είχε δει μαύρες τρύπες δισεκατομμυρίων ηλιακής μάζας που χρονολογούνται από τα πρώτα δισεκατομμύρια χρόνια του σύμπαντος. Οι αστρονόμοι δεν μπορούσαν να καταλάβουν πώς είχαν γίνει τόσο βαριά τόσο γρήγορα. Ήταν σαν να συναντούσατε μια θέση από πανύψηλα κόκκινα ξύλα σε ένα ηφαιστειακό νησί που σιγοκαίει ακόμα. Είτε είχαν εκτοξευθεί απίστευτα γρήγορα είτε είχαν ήδη εν μέρει μεγαλώσει.

Το εύρημα ενθάρρυνε την έρευνα που διερευνά και τις δύο πιθανότητες. Μερικοί αστροφυσικοί ανέπτυξαν θεωρίες περί υπερβολικά αερίων περιβαλλόντων που θα επέτρεπαν στις μικρές μαύρες τρύπες - τα πτώματα των πρώτων αστεριών - να βιώσουν συνεχείς εκρήξεις ανάπτυξης. Άλλοι λεπτομερείς τρόποι με τους οποίους ειδικές περιστάσεις θα μπορούσαν να πείσουν γιγάντιες μπάλες αερίου να παρακάμψουν το αστέρι και να καταρρεύσουν απευθείας σε έναν μεγάλο σπόρο, ξεκινώντας τη ζωή ως μια μαύρη τρύπα που ζυγίζει ήδη χιλιάδες αστρικές μάζες.

Η θεωρία του μεγάλου σπόρου κέρδισε δημοτικότητα, εν μέρει επειδή οι μαύρες τρύπες των νάνων γαλαξιών φαίνονταν τόσο σπάνιες, γεγονός που υποστήριξε την ιδέα ότι θα χρειαζόταν ένα ειδικό γεγονός για να ξεκινήσει η ανάπτυξη. Τώρα μερικοί αστρονόμοι αναρωτιούνται εάν το κύμα νέων μαύρων τρυπών αναβιώνει εν μέρει την έννοια των μικρών σπόρων.

«Υποδηλώνει κατά κάποιον τρόπο ότι η άμεση κατάρρευση μπορεί να μην είναι το τέλος του τρόπου με τον οποίο σχηματίστηκε η πρώτη γενιά μαύρων τρυπών», είπε ο Molina.

Όμως η πρόσφατη δουλειά έχει περιπλέξει τη συζήτηση. Ο Natarajan ανακάλυψε ότι το σύμπαν θα μπορούσε να κάνει τόσο μεγάλους όσο και μικρούς σπόρους σε όλη την ιστορία του. Παρόλα αυτά, χαρακτήρισε τις νέες παρατηρήσεις «υπερβοηθητικές» για την αποκάλυψη ομάδων μαύρων οπών που παραβλέπονται, τις οποίες θα πρέπει να λάβουν υπόψη οι θεωρίες σχηματισμού.

«Έχουμε μια ελλιπή απογραφή μαύρων τρυπών», είπε. "Το υλικό ακτίνων Χ είναι πραγματικά χρήσιμο για να μας βοηθήσει να αποκαλύψουμε τον σκοτεινό πληθυσμό."

Το επόμενο μεγάλο κομμάτι του παζλ θα προέλθει από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το οποίο εκτοξεύτηκε τον Δεκέμβριο. Η οξυδερκής όραση του οργάνου θα πρέπει να διακρίνει την ακτινοβολία των μαύρων τρυπών από ακόμη βαθύτερα στο παρελθόν, δίνοντας στους αστρονόμους μια πιο άμεση εικόνα για το τι συνέβαινε στο πρώιμο σύμπαν λίγο μετά τον σχηματισμό των πρώτων σπόρων της μαύρης τρύπας - μια προοπτική που ορισμένοι ερευνητές προσδοκούν για ολόκληρη την καριέρα τους.

Το 2003, όταν η Volonteri τελείωνε το διδακτορικό της στις θεωρίες του σχηματισμού μαύρης τρύπας, ο σύμβουλός της της είπε ότι «πολύ σύντομα το JWST θα πετάξει και μπορούμε να αποδείξουμε τις θεωρίες σου σωστές ή λάθος», θυμάται ο Volonteri. "Έχω μεγάλη ελπίδα από τότε."