Zupełnie nowe spojrzenie na supermasywne czarne dziury
W centrum większości galaktyk znajduje się supermasywna czarna dziura. Niektóre z nich są aktywnie zasilane gazem i pyłem znajdującymi się wokół nich, wyrzucając przy tym nadmiar energii w postaci strumieni, które są widoczne jako kwazary w całym obserwowalnym Wszechświecie. Nowe badania prowadzone przez astronomów z Centrum Cosmic Dawn (Cosmic Dawn Center) pozwoliły na sprawdzenie tego procesu przy użyciu nowych technik – a ich wyniki mogą zmienić nasz sposób myślenia o zasilaniu tych kosmicznych behemotów.
Wizja artystyczna kwazara ULAS J1120+0641. Źródło: ESO/M. Kornmesser.
Znajdujące się w centrach galaktyk supermasywne czarne dziury są miliony a nawet miliardy razy masywniejsze od naszego Słońca. Dzięki ekstremalnemu przyciąganiu grawitacyjnemu są w stanie pochłonąć ogromne ilości gazu, pyłu, a być może nawet i gwiazd, które znajdują się w ich pobliżu.
Fizyka mówi nam, że materia ta ma tendencję do tworzenia dysku, gdy jest przyciągana w kierunku czarnej dziury w zjawisku zwanym akrecją. Dyski akrecyjne to jedne z najbardziej nieciekawych, gwałtownych miejsc w znanym Wszechświecie, z prędkościami zbliżającymi się do prędkości światła i temperaturami znacznie przekraczającymi temperaturę powierzchni naszego Słońca. To ciepło wytwarza promieniowanie, które widzimy jako światło, ale zamiana ciepła w światło jest tak wydajna – około 30 razy wydajniejsza niż fuzja jądrowa – że fizycy nie do końca rozumieją, jak to się dzieje.
Głodne kosmiczne behemoty
Sposób zasilania czarnych dziur ma szeroki zakres. Niektóre, jak ta w naszej własnej Galaktyce, nie są zbyt głodne i nie wydają się mieć dysków akrecyjnych. Widzimy jednak inne galaktyki, w których supermasywne czarne dziury mają niezwykle gorące dyski akrecyjne, tak jasne, że przyćmiewają gwiazdy w swoich galaktykach.
Dopiero niedawno uzyskaliśmy pierwsze zdjęcie dysku akrecyjnego z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń, ogólnoświatowej sieci radioteleskopów. Jednak ten dysk akrecyjny należy do bardzo bliskiej galaktyki. Nie możemy powtórzyć tego eksperymentu z bardziej odległymi galaktykami, ponieważ dyski są po prostu zbyt małe i nierozpoznawalne, nawet przez największe teleskopy.
Zmienność jest kluczem
Na szczęście inna metoda badania rozmiarów i struktury odległych dysków akrecyjnych wydaje się obiecująca: chociaż nie możemy rozróżnić poszczególnych składników dysku, możemy zobaczyć, jak jego intensywność zmienia się w czasie. Badając zmiany w świetle dysków możemy złożyć w całość obraz dysków akrecyjnych nawet najbardziej odległych galaktyk.
Tego właśnie dokonał doktorant DAWN John Weaver, analizując przeszłe obserwacje ponad 9000 galaktyk z jasnymi dyskami akrecyjnymi – tzw. kwazarów – z danych z przeglądu Sloan Digital Sky Survey.
Gdy nie da się odseparować źródła, obserwowane światło z dysku akrecyjnego będzie „zanieczyszczone” przez światło z galaktyki goszczącej czarną dziurę. To niechciane światło pochodzące od galaktyki macierzystej było w dużej mierze ignorowane przez wcześniejsze badania. Jednak dzięki zastosowaniu nowego modelu zmian w świetle kwazara, John Weaver i jego współpracownik Keith Horne, prof. astronomii na Uniwersytecie St. Andrews, byli w stanie oddzielić światło dysku akrecyjnego od światła galaktyki macierzystej.
Innymi słowy, model ten pozwolił im bardziej bezpośrednio zobaczyć światło z dysku akrecyjnego wokół supermasywnych czarnych dziur, nawet w galaktykach oddalonych o miliardy lat świetlnych.
Przesłonięty przez pył
Weaver i Horne odkryli, że kosmiczny pył w pobliżu dysku akrecyjnego prawdopodobnie blokował im widok. Używając kilku różnych modeli pyłu kosmicznego, aby uwzględnić i usunąć jego efekty przesłaniające, byli w stanie określić jak gorący jest dysk akrecyjny, zarówno w pobliżu czarnej dziury, jak i daleko od niej, na krawędziach dysku.
Ta różnica temperatury pomiędzy gorącym dyskiem wewnętrznym a zimnym dyskiem zewnętrznym została przewidziana teoretycznie. Jednak to, co Weaver i Horne znaleźli obserwacyjnie to zupełnie inny obraz temperatury dysku: dyski okazały się jeszcze gorętsze w pobliżu czarnej dziury niż przewidywano. Te nieoczekiwane odkrycia zostały opublikowane 1 lutego 2022 r. w Monthly Notices of The Royal Astronomical Society i sugerują, że ich założenia i modele teoretyczne muszą zostać zrewidowane – z konsekwencjami naszego zrozumienia supermasywnych czarnych dziur.
Nie tylko mamy więcej do nauczenia się o supermasywnych czarnych dziurach, ale także zmiany w olbrzymiej ilości akreowanej przez nie materii są wspaniałym dowodem na to, że nasz Wszechświat jest o wiele bardziej dynamicznym miejscem, niż można by się spodziewać patrząc na statyczne nocne niebo.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
