Naukowcy identyfikują miejsca, w których olbrzymie dżety z czarnych dziur rozładowują swoją energię
Supermasywne czarne dziury w centrach galaktyk to najbardziej masywne obiekty we Wszechświecie. Ich masy wahają się w przedziale od 1 mln do 10 mld mas Słońca. Niektóre z nich wyrzucają również olbrzymie, bardzo rozgrzane strumienie plazmy z prędkością bliską prędkości światła. Głównym sposobem, w jaki dżety rozładowują tę potężną energię ruchu, jest przekształcanie jej w bardzo energetyczne promienie gamma. Jednak nadal pozostaje otwartą kwestią to, w jaki sposób to promieniowanie powstaje.
Dżet musi gdzieś rozładować swoją energię, a poprzednie prace naukowe nie są zgodne co do tego, gdzie to ma miejsce. Głównymi kandydatami są dwa regiony złożone z gazu i światła otaczające czarną dziurę, zwane obszarem szerokopasmowym i torusem molekularnym.
Dżet czarnej dziury ma potencjał przekształcania światła widzialnego i podczerwonego w obu regionach w wysokoenergetyczne promienie gamma poprzez oddawanie części swojej energii. Nowe badania dr. fizyki Adama Harveya rzucają światło na tę kontrowersję, dostarczając mocnych dowodów na to, że dżety uwalniają energię głównie w torusie molekularnym, a nie w obszarze szerokopasmowym. Badanie zostało opublikowane w październiku 2020 roku w Nature Communications.
Obszar szerokopasmowy znajduje się bliżej centrum czarnej dziury, w odległości około 0,3 roku świetlnego. Torus molekularny znajduje się znacznie dalej – ponad 3 lata świetlne. Chociaż dla osób niebędących astronomami wszystkie te odległości wydają się ogromne, nowa praca „mówi nam, że otrzymujemy rozpraszanie energii z dala od czarnej dziury w odpowiednich skałach” – wyjaśnia Harvey.
„Implikacje są niezwykle ważne dla naszego zrozumienia dżetów wyrzucanych przez czarne dziury” – mówi Harvey. To, który region pochłania energię dżetu, dostarcza wskazówek, jak początkowo tworzą się, przyspieszają i przybierają kształt kolumny. Na przykład „oznacza to, że dżet nie jest wystarczająco przyspieszany w mniejszych skalach, aby zapoczątkować rozpraszanie energii” – powiedział Harvey.
Inni badacze zaproponowali sprzeczne pomysły dotyczące struktury i zachowania dżetów. Ze względu na sprawdzone metody, które Harvey zastosował w swojej nowej pracy, spodziewają się jednak, że wyniki zostaną szeroko przyjęte w środowisku naukowym. „Wyniki zasadniczo pomagają ograniczyć te możliwości – te różne modele – powstawania dżetu”.
Aby dojść do swoich wniosków, Harvey zastosował standardową technikę statystyczną do danych z 62 obserwacji dżetów czarnej dziury. „Wiele z tego, co pojawiło się przed tym artykułem, było bardzo zależne od modelu. W innych pracach przyjęto bardzo wiele szczegółowych założeń, podczas gdy nasza metoda jest bardzo ogólna. Niewiele jest rzeczy, które mogłyby podważyć analizę. To dobrze poznane metody, wykorzystujące tylko dane obserwacyjne. Więc wynik powinien być poprawny” – wyjaśnia Harvey.
W analizie kluczowa była wartość zwana współczynnikiem początkowym. Współczynnik ten wskazuje, skąd pochodzą fale świetlne, które dżet przekształca w promienie gamma. Jeżeli przekształcenie zachodzi w torusie molekularnym, oczekuje się jednego współczynnika początkowego. Jeżeli dzieje się to w regionie szerokopasmowym, współczynnik początkowy będzie inny.
Harvey obliczył współczynniki początkowe dla wszystkich 62 obserwacji. Okazało się, że współczynniki początkowe spadały z normalnym rozkładem dopasowanym prawie idealnie do oczekiwanej wartości torusa molekularnego. Wyniki te zdecydowanie sugerują, że energia z dżetu wyładowuje się w postaci fal świetlnych w torusie molekularnym, a nie w regionie szerokopasmowym.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
