Αστρονόμοι ανακαλύπτουν ότι ο τρόπος με τον οποίο τρέφονται οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες αλλάζει με το χρόνο.

Νέα αποτελέσματα από το eROSITA-DE δείχνουν ότι η σχέση μεταξύ της υπεριώδους ακτινοβολίας από το δίσκο προσαύξησης και των ακτίνων-Χ της κορώνας των κβάζαρ εξελίσσεται με την ηλικία του Σύμπαντος.

Το φως από τις μαύρες τρύπες

Τα κβάζαρ είναι εξαιρετικά λαμπροί ενεργοί γαλαξιακοί πυρήνες που μοιάζουν με αστέρια στο οπτικό φως και λάμπουν σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Είναι τα πιο λαμπρά αντικείμενα στο σύμπαν και έτσι ανιχνεύονται σε τεράστιες αποστάσεις. Υπαίτια για αυτά τα τεράστια ποσά ακτινοβολίας είναι μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα που βρίσκεται στην καρδιά των κβάζαρ και αυξάνει τη μάζα της έλκοντας υλικό από το περιβάλλον της μέσω ενός δίσκου προσαύξησης αερίου και σκόνης (Εικόνα 1). Καθώς η ύλη του δίσκου στροβιλίζεται προς τη μαύρη τρύπα, θερμαίνεται και εκπέμπει υπεριώδες φως. Κοντά στον δίσκο, υπάρχει μια περιοχή υπέρθερμου πλάσματος – η κορώνα – που «ανεβάζει» την ενέργεια της ακτινοβολίας του δίσκου μέσω αντίστροφης σκέδασης Compton, μετατρέποντάς τα σε ακτίνες-Χ.

Επειδή ο δίσκος παρέχει τα φωτόνια που «τροφοδοτούν» την κορώνα, οι δύο περιοχές είναι άμεσα συνδεδεμένες: πιο έντονο UV φως σημαίνει συνήθως ισχυρότερη εκπομπή ακτίνων-Χ. Αυτή η συσχέτιση θεωρούνταν μέχρι σήμερα καθολική ιδιότητα των κβάζαρ, ανεξάρτητη από την εποχή του Σύμπαντος – μια υπόθεση που τώρα τίθεται υπό αμφισβήτηση.

Εικόνα 1: Καλλιτεχνική αναπαράσταση της ύλης που στροβιλίζεται προς τα μέσα καθώς έλκεται από την ισχυρή βαρύτητα μιας κεντρικής υπερμεγέθους μαύρης τρύπας, σχηματίζοντας έναν «δίσκο προσαύξησης». Η τριβή θερμαίνει το υλικό του δίσκου, παράγοντας έντονο υπεριώδες φως (UV). Όταν υπεριώδης ακτινοβολία από το δίσκο συναντά την «κορώνα», μια περιοχή εξαιρετικά θερμού πλάσματος που φαίνεται να υπάρχει πολύ κοντά στη μαύρη τρύπα, επανεκπέμπεται με τη μορφή ακτινοβολίας Χ. Credit: Dimitrios Sakkas (tomakti), Antonis Georgakakis, Angel Ruiz, Maria Chira (NOA)

Τα αποτελέσματα της νέας μελέτης

Η σχέση ανάμεσα στον δίσκο προσαύξησης και την κορόνα που εκπέμπει ακτίνες-Χ στα λαμπρά κβάζαρ φαίνεται ότι έχει μεταβληθεί με το πέρασμα του κοσμικού χρόνου, σύμφωνα με νέα έρευνα που βασίζεται σε δεδομένα από το eROSITA-DE – το γερμανικό σκέλος της παν-ουράνιας αποστολής ακτίνων-Χ eROSITA/SRG.

Μια διεθνής ομάδα αστροφυσικών με επικεφαλής ερευνητές/τριες από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών ανακάλυψε ότι τα κβάζαρ με την ίδια οπτική ή υπεριώδη (UV) φωτεινότητα εκπέμπουν σχετικά περισσότερες ακτίνες-Χ όταν παρατηρούνται σε μεγαλύτερες αποστάσεις, δηλαδή σε εποχές όπου το Σύμπαν ήταν νεότερο (Εικόνα 2). Το εύρημα αυτό δείχνει ότι οι φυσικές διεργασίες που συνδέουν τον δίσκο και την κορώνα γύρω από τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έχουν εξελιχθεί μέσα στα δισεκατομμύρια χρόνια της ιστορίας του Σύμπαντος.

Η μελέτη συνδυάζει δεδομένα από την πρώτη σάρωση του ουρανού από το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ eROSITA/SRG (eRASS1-DE) με παρατηρήσεις σε πολλά μήκη κύματος, όπως τα οπτικά δεδομένα της Sloan Digital Sky Survey (SDSS) και αρχειακές παρατηρήσεις από το τηλεσκόπιο ακτίνων Χ XMM-Newton. Η ομοιόμορφη κάλυψη του ουρανού από το eROSITA στις ακτίνες-Χ έπαιξε καθοριστικό ρόλο, επιτρέποντας τη μελέτη ενός δείγματος κβάζαρ πρωτοφανών διαστάσεων.

«Το να επιβεβαιώνεις ότι η σχέση μεταξύ ακτίνων-Χ και UV δεν είναι σταθερή με τον χρόνο είναι πραγματικά εντυπωσιακό και θέτει νέα ερωτήματα για το πώς οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μεγαλώνουν και εκπέμπουν ακτινοβολία», εξηγεί ο Αντώνης Γεωργακάκης, ένας από τους επικεφαλής ερευνητές της μελέτης. «Προσεγγίσαμε το πρόβλημα με διαφορετικές μεθόδους οι οποίες επιβεβαίωσαν το αποτέλεσμα.».

Εικόνα 2: Η συσχέτιση μεταξύ της έντασης των ακτίνων Χ και του υπεριώδους φωτός των ενεργών μαύρων τρυπών αλλάζει με τον κοσμικό χρόνο. Ο «δίσκος προσαύξησης» παράγει υπεριώδες φως (μπλε ακτίνες) που συναντωντας το καυτό πλάσμα της «κορώνας» παράγει ακτίνες Χ (κόκκινες ακτίνες). Αυτή η αλληλεπίδραση δημιουργεί μια συσχέτιση μεταξύ της έντασης των ακτίνων Χ και του υπεριώδους φωτός, η οποία θεωρείται για δεκαετίες θεμέλιος λίθος για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η ύλη πέφτει στις μαύρες τρύπες. Χρησιμοποιώντας νέες παρατηρήσεις ακτίνων Χ από το τηλεσκόπιο eROSITA σε συνδυασμό με καινοτόμες στατιστικές μεθοδολογίες, αμφισβητούμε την καθολικότητα αυτής της συσχέτισης, διαπιστώνοντας ότι ήταν σημαντικά διαφορετική στο πρώιμο Σύμπαν σε σύγκριση με το παρόν. Credit: Maria Chira, Antonis Georgakakis, Angel Ruiz (NOA)

Γιατί είναι σημαντική η ανακάλυψη

Τα νέα αποτελέσματα φωτίζουν πιθανά κενά στη κατανόηση των παραγόντων που επηρεάζουν το πως οι μαύρες τρύπες μεγαλώνουν και διαμορφώνουν τους γαλαξίες στους οποίους κατοικούν. Επιπλέον, η σταθερότητα της σχέσης ακτίνων-Χ και UV αποτελεί βασικό εργαλείο για τη χρήση των κβάζαρ ως «κοσμικά κεριά» στην κοσμολογία. Αν και τα νέα αποτελέσματα δεν ακυρώνουν αυτή την μεθοδολογία, δείχνουν ότι χρειάζεται προσεκτικός έλεγχος αυτής της υπόθεσης, όσο μεγαλώνουν τα δείγματα κβάζαρς που παρατηρούμε σε όλο και μεγαλύτερες αποστάσεις.

«Σημείο κλειδί σε αυτή τη μελέτη είναι η νέα μεθοδολογία που χρησιμοποιούμε», σημειώνει η Μαρία Χήρα από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών, κύρια συγγραφέας της μελέτης. «Συνδυάζοντας το μοναδικό αυτό δείγμα κβάζαρ με μια ισχυρή στατιστική μεθοδολογία, μπορέσαμε να αποκαλύψουμε λεπτές συσχετίσεις που διαφορετικά θα έμεναν αόρατες».

Τα δεδομένα από επόμενες σαρώσεις του ουρανού απο το eROSITA θα επιτρέψουν την ανίχνευση ακόμη πιο αμυδρών και μακρινών κβάζαρ και, σε συνδυασμό με δεδομένα από τηλεσκόπια νέας γενιάς σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, θα δείξουν αν η παρατηρούμενη εξέλιξη αντικατοπτρίζει μια πραγματική φυσική αλλαγή ή κάποιο παρατηρησιακό περιορισμό.

Αυτές οι μελέτες υπόσχονται να φωτίσουν τον τρόπο με τον οποίο οι υπερμεγέθεις ενεργές μαύρες τρύπες τροφοδοτούν τα πιο λαμπερά αντικείμενα του Σύμπαντος και πώς η συμπεριφορά τους έχει αλλάξει μέσα στον κοσμικό χρόνο.

Διαβάστε την δημοσίευση των Chira et al. 2025 στο επιστημονικό περιοδικό MNRAS στα Aγγλικά εδώ: https://academic.oup.com/mnras/article-lookup/doi/10.1093/mnras/staf1905

Η έρευνα χρηματοδοτείται από το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας και Καινοτομίας (ΕΛΙΔΕΚ) με τη συμφωνία επιχορήγησης 2688.