NASA:s rymdteleskop Hubble och NASA:s röntgenobservatorium Chandra har samarbetat för att identifiera ett nytt möjligt exempel på en sällsynt typ av svarta hål. Denna ljusa röntgenkälla, som kallas NGC 6099 HLX-1, verkar befinna sig i en kompakt stjärnhop i en gigantisk elliptisk galax.
Bara några år efter sin uppskjutning 1990 upptäckte Hubble att galaxer i hela universum kan innehålla supermassiva svarta hål i sina centrum som väger miljoner eller miljarder gånger solens massa. Dessutom innehåller galaxer också miljontals små svarta hål som väger mindre än 100 gånger solens massa. Dessa bildas när massiva stjärnor når slutet av sin livstid.
Mycket svårare att upptäcka är svarta hål med mellanmassa (IMBH), som väger mellan några hundra och några hundratusen gånger solens massa. Denna kategori av svarta hål, som varken är för stora eller för små, är ofta osynliga för oss eftersom IMBH inte slukar lika mycket gas och stjärnor som de supermassiva, som skulle avge kraftig strålning.
De måste fångas på bar gärning när de letar efter föda för att kunna upptäckas. När de ibland slukar en olycklig stjärna som passerar förbi – i vad astronomer kallar en tidvattenstörning – avger de en stråle av strålning.
Den senaste troliga IMBH, som fångats på bild i teleskopdata, ligger i utkanten av galaxen NGC 6099, cirka 40 000 ljusår från galaxens centrum, enligt en ny studie publicerad i The Astrophysical Journal. Galaxen ligger cirka 450 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Herkules.
Astronomerna såg först en ovanlig källa till röntgenstrålning i en bild tagen av Chandra 2009. De följde sedan dess utveckling med ESA:s rymdobservatorium XMM-Newton.
”Röntgenkällor med så extrem ljusstyrka är sällsynta utanför galaxkärnor och kan fungera som en viktig sond för att identifiera svårfångade IMBH. De representerar en viktig saknad länk i svarta hålens utveckling mellan stjärnmassor och supermassiva svarta hål”, säger huvudförfattaren Yi-Chi Chang från National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan.
Röntgenstrålningen från NGC 6099 HLX-1 har en temperatur på 3 miljoner grader, vilket stämmer överens med en tidvattenstörning. Hubble fann bevis för en liten stjärnhop runt svart hålet. Denna stjärnhop skulle ge svart hålet mycket att festa på, eftersom stjärnorna är så tätt samlade att de bara ligger några ljusmånader från varandra (cirka 500 miljarder mil).
Det misstänkta IMBH nådde maximal ljusstyrka 2012 och fortsatte sedan att avta fram till 2023. De optiska och röntgenobservationerna under perioden överlappar inte varandra, vilket komplicerar tolkningen. Det svarta hålet kan ha slitet sönder en fångad stjärna och skapat en plasmaskiva som visar variabilitet, eller så kan det ha bildat en skiva som flimrar när gasen störtar mot det svarta hålet.
”Om IMBH äter en stjärna, hur lång tid tar det att svälja stjärnans gas? År 2009 var HLX-1 ganska ljus. Sedan, år 2012, var den ungefär 100 gånger ljusare. Och sedan avtog den igen”, säger studiens medförfattare Roberto Soria från det italienska nationella institutet för astrofysik (INAF). ”Så nu måste vi vänta och se om det flammade upp flera gånger, eller om det var en början, en topp, och nu kommer det bara att sjunka tills det försvinner.”
IMBH ligger i utkanten av värdgalaxen NGC 6099, cirka 40 000 ljusår från galaxens centrum. Det finns förmodligen ett supermassivt svart hål i galaxens kärna, som för närvarande är vilande och inte slukar någon stjärna.
Teamet betonar att en undersökning av IMBH kan avslöja hur de större supermassiva svarta hålen bildas. Det finns två alternativa teorier. Den ena är att IMBH är frön för att bygga upp ännu större svarta hål genom att smälta samman, eftersom stora galaxer växer genom att ta in mindre galaxer. Det svarta hålet i mitten av en galax växer också under dessa sammanslagningar.
Hubble-observationer har avslöjat ett proportionellt samband: ju mer massiv galaxen är, desto större är det svarta hålet. Den bild som framträder med denna nya upptäckt är att galaxer kan ha ”satellit-IMBH:er” som kretsar i en galax halo men inte alltid faller mot centrum.
En annan teori är att gasmolnen i mitten av mörk materiahalos i det tidiga universum inte först bildar stjärnor, utan kollapsar direkt till ett supermassivt svart hål. NASA:s James Webb Space Telescope har upptäckt mycket avlägset belägna svarta hål som är oproportionerligt massiva i förhållande till sin värdgalax, vilket tenderar att stödja denna teori.
Det kan dock finnas en observationsbias mot upptäckten av extremt massiva svarta hål i det avlägset belägna universum, eftersom de mindre är för svaga för att kunna ses. I verkligheten kan det finnas större variation i hur vårt dynamiska universum bildar svarta hål.
Supermassiva svarta hål som kollapsar inuti halor av mörk materia kan helt enkelt växa på ett annat sätt än de som finns i dvärggalaxer, där ackretion av svarta hål kan vara den dominerande tillväxtmekanismen.
”Så om vi har tur kommer vi att hitta fler fritt svävande svarta hål som plötsligt blir röntgenljusa på grund av en tidvattenstörning. Om vi kan göra en statistisk studie kommer det att ge oss information om hur många av dessa IMBH:er det finns, hur ofta de stör en stjärna och hur större galaxer har vuxit genom att samla mindre galaxer”, säger Soria.
Utmaningen är att Chandra och XMM-Newton bara tittar på en liten del av himlen, så de hittar inte ofta nya tidvattenstörningar där svarta hål slukar stjärnor. Vera C. Rubin-observatoriet i Chile, ett teleskop för kartläggning av hela himlen från U.S. National Science Foundation och Department of Energy, kan upptäcka dessa händelser i optiskt ljus på hundratals miljoner ljusårs avstånd. Uppföljande observationer med Hubble och Webb kan avslöja stjärnhopen runt det svarta hålet.
Mer information: Yi-Chi Chang et al, Multiwavelength Study of a Hyperluminous X-Ray Source near NGC 6099: A Strong IMBH Candidate, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adbbee
