Potwierdzenie obecności drugiej supermasywnej czarnej dziury w znanym układzie podwójnym
Międzynarodowy zespół astronomów, w skład którego wchodzą Polacy, zaobserwował drugą z dwóch supermasywnych czarnych dziur krążących wokół siebie w galaktyce aktywnej OJ 287.
Wizja artystyczna OJ 287 jako układu podwójnego supermasywnych czarnych dziur. Mniejsza czarna dziura o masie 150 milionów mas Słońca porusza się wokół głównej czarnej dziury o masie 18 miliardów mas Słońca. Źródło: AAS 2018
Supermasywne czarne dziury, których masy stanowią kilka miliardów mas Słońca, znajdują się w centrum aktywnych galaktyk. Astronomowie obserwują je jako jasne jądra galaktyk, gdzie supermasywna czarna dziura absorbuje materię z wirującego dysku akrecyjnego w gwałtowny sposób. Część tej materii jest wypychana w formie potężnego strumienia. Ten proces sprawia, że jądro galaktyki świeci intensywnie w całym zakresie elektromagnetycznym.
Wykorzystując sygnały pochodzące ze strumieni związanych z akrecją materii do obu czarnych dziur, astronomowie odkryli dowody na obecność dwóch supermasywnych czarnych dziur krążących wokół siebie. Najnowsze badania przedstawiają wyniki tego odkrycia. Kwazar znany jako OJ 287 jest najbardziej szczegółowo zbadanym i najlepiej zrozumianym przykładem układu podwójnego czarnych dziur. Te dwie czarne dziury znajdują się na niebie na tyle blisko siebie, że zlewają się w jedną punktową strukturę. Jednak fakt, że ta struktura składa się z dwóch czarnych dziur, staje się oczywisty dzięki wykryciu dwóch różnych rodzajów sygnałów emitowanych przez nie.
Galaktyka aktywna OJ 287 znajduje się w kierunku konstelacji Raka w odległości około 5 miliardów lat świetlnych i jest obserwowana przez astronomów od 1888 roku. Już ponad 40 lat temu astronomowie z Uniwersytetu w Turku Aimo Sillanpää i jego współpracownicy zauważyli, że w jej emisji występuje wyraźny wzór, który ma dwa cykle, jeden trwający 12 lat, a drugi około 55 lat. Zasugerowali, że te dwa cykle wynikają z ruchu orbitalnego dwóch czarnych dziur wokół siebie. Krótszy cykl jest cyklem orbitalnym, a dłuższy wynika z powolnej ewolucji orientacji orbity.
Ruch orbitalny objawia się serią rozbłysków, które pojawiają się, gdy druga czarna dziura regularnie przebija się przez dysk akrecyjny pierwszej czarnej dziury z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Ten proces zanurzania się drugiej czarnej dziury podgrzewa materię znajdującą się w dysku, a w wyniku tego gorący gaz jest uwalniany w postaci rozszerzających się bąbli. Te gorące bąble stopniowo ochładzają się przez miesiące, podczas których emitują promieniowanie i powodują pojawienie się błysku światła – rozbłysku, który trwa mniej więcej dwa tygodnie i jest jaśniejszy niż bilion gwiazd.
Po wieloletnich wysiłkach, mających na celu oszacowanie czasu zanurzenia drugiej czarnej dziury w dysku akrecyjnym, zespół astronomów z Uniwersytetu w Turku w Finlandii pod kierownictwem Mauri Valtonena oraz jego współpracownika, Achamveedu Gopakumara z Tata Institute of Fundamental Research w Bombaju w Indiach, wraz z innymi naukowcami, osiągnął sukces w modelowaniu orbity i precyzyjnym przewidywaniu wystąpienia tych rozbłysków.
Udane kampanie obserwacyjne w latach 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 i 2019 pozwoliły zespołowi zaobserwować przewidywane rozbłyski i potwierdzić obecność pary supermasywnych czarnych dziur w OJ 287.
Całkowita liczba przewidywanych rozbłysków wynosi obecnie 26 i prawie wszystkie z nich zostały zaobserwowane. Większa czarna dziura w tej parze waży ponad 18 miliardów razy więcej niż nasze Słońce, podczas gdy jej towarzyszka jest około 10 razy lżejsza, a ich orbita jest wydłużona, a nie kołowa – powiedział prof. Achamveedu Gopakumar.
Pomimo wysiłków astronomowie nie byli w stanie zaobserwować bezpośredniego sygnału od mniejszej czarnej dziury. Przed 2021 rokiem jej istnienie wywnioskowano jedynie pośrednio na podstawie rozbłysków i sposobu, w jaki powoduje ona chybotanie strumienia większej czarnej dziury.
Obie czarne dziury znajdują się tak blisko siebie na niebie, że nie można ich zobaczyć osobno, a w naszych teleskopach zlewają się w jeden punkt. Tylko wtedy, gdy widzimy wyraźnie oddzielne sygnały z każdej czarnej dziury, możemy powiedzieć, że faktycznie „widzimy” je obie – powiedział główny autor pracy prof. Mauri Valtonen.
Mniejsza czarna dziura bezpośrednio zaobserwowana po raz pierwszy
Niezwykle interesujące jest, że kampanie obserwacyjne przeprowadzone w latach 2021/2022 na obiekcie OJ 287 za pomocą różnorodnej floty teleskopów umożliwiły naukowcom po raz pierwszy obserwację drugiej czarnej dziury, która zanurzała się w dysku akrecyjnym. Dodatkowo, udało się zarejestrować sygnały pochodzące bezpośrednio od mniejszej czarnej dziury.
Okres 2021/2022 miał szczególne znaczenie w badaniu OJ 287. Wcześniej przewidywano, że w tym okresie druga czarna dziura przeniknie przez dysk akrecyjny swojej masywnej towarzyszki. Oczekiwano, że to zanurzenie spowoduje powstanie bardzo niebieskiego błysku zaraz po zderzeniu i rzeczywiście zostało to zaobserwowane w ciągu kilku dni od czasu przewidywanego przez Martina Jelineka i współpracowników z Czeskiego Uniwersytetu Technicznego i Czeskiego Instytutu Astronomicznego – powiedział profesor Mauri Valtonen.
Były jednak dwie duże niespodzianki – nowe typy rozbłysków, które nie zostały wcześniej wykryte. Pierwszy z nich został dostrzeżony dopiero dzięki szczegółowej kampanii obserwacyjnej przeprowadzonej przez prof. dr hab. Staszka Zołę z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie i to nie bez powodu. Zoła i jego zespół zaobserwowali duży rozbłysk, wytwarzający 100 razy więcej światła niż cała galaktyka, który trwał tylko jeden dzień.
Według szacunków, rozbłysk nastąpił krótko po tym, jak mniejsza czarna dziura otrzymała ogromną ilość nowego gazu, który został wchłonięty podczas zanurzenia. To właśnie proces pochłaniania prowadzi do gwałtownego rozjaśnienia w OJ 287. Uważa się, że ten proces wzmocnił strumień, który wystrzelił z mniejszej czarnej dziury OJ 287. Przepowiedziano to wydarzenie dziesięć lat temu, jednak do tej pory nie zostało potwierdzone – wyjaśnił Valtonen.
Drugie nieoczekiwane zjawisko zostało wykryte w postaci sygnału promieniowania gamma za pomocą teleskopu Fermi. Wydarzenie to stanowiło największy rozbłysk promieniowania gamma w OJ 287 od sześciu lat. Okazało się, że rozbłysk ten wystąpił w momencie, gdy mniejsza czarna dziura przebiła się przez gazowy dysk wokół głównej czarnej dziury. Interakcja strumienia mniejszej czarnej dziury z gazem w dysku prowadzi do emisji promieni gamma. Aby potwierdzić tę hipotezę, naukowcy przeanalizowali zdarzenie podobnego rozbłysku gamma, które miało miejsce w roku 2013, gdy mniejsza czarna dziura przechodziła przez dysk gazowy widziany z tego samego punktu co ostatnio.
A co z jednodniowym wybuchem, dlaczego nie widzieliśmy go wcześniej? OJ 287 jest rejestrowany na zdjęciach od 1888 roku i intensywnie śledzony od 1970 roku. Okazuje się, że po prostu mieliśmy pecha. Nikt nie zaobserwował OJ 287 dokładnie w te noce, kiedy dokonała swojego jednonocnego wyczynu. Bez intensywnego monitoringu prowadzonego przez grupę Zoły, przegapilibyśmy ją razem – stwierdził Valtonen.
Działania te sprawiają, że OJ 287 jest najbardziej obiecującym kandydatem na parę supermasywnych czarnych dziur, które generują fale grawitacyjne o częstotliwościach nanoherców. Co więcej, OJ 287 jest regularnie monitorowana zarówno przez konsorcjum Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT), jak i Global mm-VLBI Array (GMVA), w celu znalezienia dodatkowych dowodów na obecność dwóch supermasywnych czarnych dziur w jej centrum. Szczególną uwagę poświęca się uzyskaniu radiowego obrazu strumienia drugiej czarnej dziury.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
.jpg)
