Lubang Hitam Middleweight Memberi Jendela kepada Alam Semesta Awal

Bagaimana bentuk lubang hitam supermasif? Dua kajian menemui berpuluh-puluh lubang hitam besar-besaran dalam galaksi kerdil untuk menimbulkan perdebatan yang berterusan.

Lubang hitam berat berat adalah ciri biasa yang mengejutkan alam semesta, mengintai atau menjalar di galaksi berhampiran dan jauh. Tetapi persoalannya telah lama mengganggu ahli-ahli astronomi: Di ​​manakah lubang-lubang hitam supermasif ini lazimnya berjuta-juta hingga berjuta-juta Suns berasal? Dua kajian menggunakan pemerhatian sinar-X memberikan dua jawapan yang berlainan.

Past & Present

Konsep artis ini menunjukkan lubang hitam dengan gas panas merebak ke dalamnya melalui cakera akretion. Garis medan magnet melempar satu minit bahan ini ke dalam jet ultrafast yang menembusi ruang angkasa. X-ray boleh berasal dari cakera atau jet.
NASA / JPL-Caltech

Apabila alam semesta adalah kurang daripada satu bilion tahun, galaksi telah menjadi tunggakan lubang hitam supermasif, dilihat oleh gas bercahaya yang mereka gobbled dengan kadar berpuluh-puluh Suns setiap tahun. Walaupun ketika merapikan kadar itu, namun, cara yang biasa kita ketahui untuk membuat lubang hitam keruntuhan bintang mati tidak cukup untuk membuat binatang itu.

Terdapat dua penyelesaian yang kini berada di barisan hadapan dalam menyelesaikan masalah ini: Satu idea ialah bahawa generasi pertama bintang yang melahirkan lubang hitam jauh lebih besar daripada versi moden, biasanya mengandungi 100 jutem bernilai. Lubang-lubang hitam 100-suria ini kemudian akan memberi makan pada kadar yang sangat besar sepanjang masa untuk berkembang menjadi saiz supermassif pada masa alam semesta mencapai 1 bilion tahun.

Idea alternatif adalah bahawa lubang hitam pertama terbentuk apabila awan gas terus runtuh menjadi sesuatu antara seribu kali jisim Matahari. Senario ini memerlukan keadaan yang sangat istimewa untuk menumbuhkan lubang hitam sedemikian besar, untuk menjaga semua gas bersama-sama kerana ia runtuh tanpa memecahnya menjadi bintang. (Lihat ciri Camille Carlisle, "Lubang Hitam Pertama, " dalam edisi Sky & Telescope Januari 2017 untuk lebih terperinci mengenai senario ini.)

Teknologi semasa tidak akan membiarkan kita menguji sama ada senario, jadi ahli astronomi mengambil laluan bulatan untuk mencari jawapannya. Sekiranya lubang-lubang hitam supermasif yang mendiami galaksi besar memulakan kehidupan mereka sebagai lubang-lubang hitam jisim yang besar, maka lebih kecil, lubang-lubang hitam yang paling kecil harus menjadi biasa dalam galaksi yang lebih kecil. Senario langsung-runtuh bukannya meramalkan bahawa lubang-lubang hitam yang kecil itu jarang berlaku. Oleh itu, semua yang perlu dilakukan oleh ahli astronomi adalah menjilat lubang hitam dalam galaksi kerdil dan mereka mempunyai jawapan mereka tetapi tidak semudah itu.

Menggali bahagian Middleweight

Mar Mezcua (Institut Sains Angkasa, Sepanyol) dan rakan sekerja mengembara melalui imej X-ray yang dikumpulkan sebagai sebahagian daripada Ukur Legacy Chandra COSMOS, yang juga termasuk data cahaya dan inframerah yang boleh dilihat. Mereka menemui 40 galaksi kerdil yang menganjurkan makan secara aktif, lubang hitam menengah dengan massa antara 10, 000 dan 100, 000 Suns. Pasukan menggunakan pecahan lubang hitam aktif kira-kira 10% sebagai proksi untuk jumlah lubang hitam dalam galaksi kurcaci. Fraksi yang rendah, mereka berhujah dalam Pemberitahuan Bulanan 1 Ogos, Persatuan Astronomi Diraja, menyokong model keruntuhan langsung.

Imej komposit ini menggabungkan data inframerah dan X-ray dalam bidang Penyiasatan Warisan COSMOS. Kira-kira 10% dari galaksi kerdil dalam bidang ini 40 dalam semua bermain hos ke lubang hitam middleweight. Sebahagian kecil lubang hitam yang aktif menyokong senario langsung runtuh, Mezcua dan rakan sekerja berpendapat.
X-ray: NASA / CXC / ICE / M.Mezcua et al .; Inframerah: NASA / JPL-Caltech; Ilustrasi: NASA / CXC / A.Hobart

Satu lagi titik yang memihak kepada senario keruntuhan langsung adalah bahawa ia meramalkan bahawa galaksi yang lebih kecil harus kurang cenderung untuk menjadi tuan rumah lubang hitam, dan itulah yang dipenuhi oleh Mezcua dan rakan sekerja. Tetapi pecahan lubang hitam aktif yang dikira oleh pasukan sebenarnya adalah had yang lebih rendah pada bilangan sebenar lubang hitam. Ia boleh menjadi bahawa sejumlah besar lubang hitam puasa, senyap dalam sinar X, bersembunyi tak dapat dikesan dalam galaksi kerdil lain.

Menambah perbahasan itu adalah data baru dari Igor Chilingarian (Observatori Astrophysical Smithsonian) dan rekan-rekannya, yang menyelidik data langit untuk mencari contoh 305 calon-calon lubang hitam berjumlah besar, diterbitkan pada 6 Ogos dalam Journal Astrophysical . Mereka mengesahkan 10 calon ini dengan pemerhatian X-ray baru dan diarsipkan dari Chandra, XMM-Newton, dan Swift, dianggarkan mempunyai massa antara 30, 000 dan 200, 000 Suns.

Chilingarian berhujah bahawa kewujudan lubang hitam jisim menengah di hujung bawah spektrum jisim ini menyokong senario benih bintang, kerana senario langsung runtuh harus mengeluarkan hanya lubang hitam dengan lebih daripada 100, 000 jisim Suns . Tetapi Mezcua tidak bersetuju, dengan alasan bahawa model keruntuhan langsung cukup fleksibel untuk membolehkan orang ramai yang lebih kecil.

Buat masa ini, pertandingan berakhir dengan tali leher, dan mungkin akan tetap berlaku sehingga ahli astronomi dapat mencari jalan untuk mencari lubang hitam yang tidak aktif dalam galaksi kerdil.

"Kaedah yang digunakan untuk mengukur massa lubang hitam atau menyimpulkan kehadiran lubang hitam di galaksi besar dengan lubang hitam tidak aktif tidak boleh digunakan untuk galaksi kerdil, kerana ini adalah kecil dan pengsan berbanding dengan galaksi elips besar, " kata Mezcua. "Jadi jika mengesan lubang hitam yang aktif dalam galaksi kerdil adalah sukar, mengesan yang tidak aktif adalah lebih mencabar."

Amy Reines, yang kajiannya 2013 juga menyukai model keruntuhan langsung dengan kaveat yang sama seperti kajian dari pasukan Mezcua, bersetuju. "Saya tidak fikir ada bukti konklusif satu cara atau yang lain, " kata Amy Reines (Montana State University). "Lebih banyak kerja perlu dilakukan."