Rotujący torus gazu i pyłu wokół supermasywnej czarnej dziury

Obserwacje o wysokiej rozdzielczości z użyciem ALMA ukazały obracający się torus gazu i pyłu wokół aktywnej supermasywnej czarnej dziury. Istnienie takich rotujących struktur w kształcie torusa zostało zasugerowane wiele lat temu, ale po raz pierwszy tak jednoznacznie je potwierdzono. To pierwszy krok w zrozumieniu koewolucji supermasywnych czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych.

Prawie wszystkie galaktyki mają w swoim wnętrzu monstrualne czarne dziury. Naukowcy od dawna wiedzieli, że im masywniejsza jest galaktyka, tym bardziej masywna jest jej centralna czarna dziura. Wydaje się to sensowne, ale galaktyki są 10 miliardów razy większe, niż centralne czarne dziury. Dla dwóch obiektów o tak bardzo różnych skalach trudne byłoby oddziaływanie na siebie nawzajem. W jaki sposób zatem taka relacja mogła się rozwinąć?

Dążąc do rozwiązania tego problemu, zespół astronomów wykorzystał wysoką rozdzielczość ALMA do obserwacji centrum galaktyki spiralnej M77. Centralny region M77 jest „aktywnym jądrem galaktycznym” (AGN), co oznacza, że materia gwałtownie spada w kierunku centralnej czarnej dziury i emituje intensywne światło. AGN mogą silnie wpływać na otaczające środowisko, dlatego są ważnymi obiektami do rozwiązania tajemnicy koewolucji galaktyk i czarnych dziur.

Zespół obrazował obszar wokół supermasywnej czarnej dziury w M77 i analizował zwartą strukturę gazową o promieniu 20 lat świetlnych. Astronomowie stwierdzili, że struktura ta obraca się wokół czarnej dziury, tak jak tego oczekiwano.

„Aby zinterpretować różne cechy obserwacyjne aktywnych jąder galaktycznych, astronomowie założyli rotującą strukturę pyłu i gazu o kształcie torusa wokół aktywnych supermasywnych czarnych dziur. Nazywa się to zunifikowanym modelem AGN. Jednak pyłowy gazowy pączek jest bardzo malutki. Dzięki wysokiej rozdzielczości ALMA możemy teraz bezpośrednio zobaczyć tę strukturę” – wyjaśnił Masatoshi Imanishi z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego w Japonii (NAOJ), główny autor artykułu opublikowanego w Astrophysical Journal Letters.

Wielu astronomów już wcześniej obserwowało M77, ale nigdy nie zaobserwowano tak wyraźnej rotacji torusa gazowo-pyłowego wokół czarnej dziury. Oprócz wysokiej rozdzielczości ALMA, wybór linii emisji molekularnej do obserwacji był kluczem do ukazania struktury. Zespół zaobserwował specyficzną emisję mikrofal z cząsteczek cyjanowodoru (HCN) i jonów formylowych (HCO+). Cząsteczki te emitują mikrofale tylko w gęstym gazie, podczas gdy częściej obserwowany tlenek węgla (CO) emituje mikrofale w różnych warunkach. Uważa się, że torus wokół ANG jest bardzo gęsty, a strategia zespołu była właściwa.

Co ciekawe, dystrybucja gazu wokół supermasywnej czarnej dziury jest znacznie bardziej skomplikowana, niż sugeruje to prosty, zunifikowany model. Torus wydaje się być asymetryczny, a rotacja nie jest zgodna z grawitacją czarnej dziury, ale zawiera również wysoce losowy ruch. Fakty te mogą wskazywać, że AGN miał gwałtowną historię, prawdopodobnie włączając w to połączenie z małą galaktyką. Niemniej jednak identyfikacja rotującego torusa jest ważnym krokiem.

Opracowanie:

Agnieszka Nowak

Źródło:
ALMA Observatory