Niepodważalne dowody na układy podwójne supermasywnych czarnych dziur w AGN
Badanie zmienności strumienia blazara skupia się na analizie precesji, która jest wynikiem obecności orbitujących czarnych dziur w centrach galaktyk.
Ilustracja przedstawia namagnesowany strumień radiowy (kolor żółty), który precesuje pod wpływem supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki. Na ilustracji widoczna jest większa supermasywna czarna dziura, oznaczona kolorem czarnym, znajdująca się w środku dysku akrecyjnego. Dysk ten zawiera zarówno cieplejszy gaz (niebieski) jak i chłodniejszy gaz (czerwony). Biała strzałka wskazuje kierunek obrotu większej czarnej dziury. Druga czarna dziura (pomarańczowy) krąży wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury, a pomarańczowa strzałka pokazuje orientację orbitalnego momentu pędu.
Źródło: Michal Zajaček/UTFA MUNI
Międzynarodowy zespół badawczy pod przewodnictwem Silke Britzen z Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka w Bonn przeprowadził badania na temat blazarów, akreujących supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk. Blazary pojawiają się, gdy jeden z strumieni emitowanych przez aktywne jądro galaktyczne jest skierowany bezpośrednio w stronę Ziemi. Naukowcy przedstawiają dowody na to, że obserwowana zmienność blazarów jest wynikiem precesji źródła strumienia, która może być wywołana obecnością drugiej masywnej czarnej dziury w pobliżu pierwotnej lub wypaczonym dyskiem akrecyjnym wokół pojedynczej czarnej dziury.
W ciągu dziesięcioleci monitorowania blazarów, wyniki zawsze były interpretowane w taki sposób, że częste i znaczące wzrosty jasności tych źródeł, nazywane aktywnością rozbłysków, są związane z wyrzucaniem składników strumienia z jądra do strumienia. To zjawisko prowadzi do nagłego wzrostu emisji.
Strumienie blazara często wykazują skręcone kształty, które nie są tak proste, jak można by się spodziewać. Początkowo uważano, że te meandrujące struktury strumieni są związane z wyrzutami składników z jądra. Wijące się strumienie i rozjaśnienie aktywnego jądra galaktyki (AGN) były uważane za wynik zasilania czarnej dziury w sposób stochastyczny. Jednak z biegiem lat coraz bardziej szczegółowe wyniki obserwacji podważyły tę prawdopodobnie zbyt prostą zależność przyczynową.
Nowy artykuł opublikowany w czasopiśmie Astrophysical Journal kwestionuje ustaloną relację między wyrzutem a rozbłyskiem w przypadku jasnych i silnie zmiennych blazarów. Główna autorka badania, Silke Britzen, przedstawia dowody i omawia możliwość, że to właśnie precesja źródła strumienia, spowodowana albo przez supermasywną czarną dziurę w układzie podwójnym u podnóża strumienia, albo – mniej prawdopodobnie – przez wypaczony dysk akrecyjny wokół pojedynczej czarnej dziury, jest odpowiedzialna za obserwowaną zmienność.
Kiedy strumienie wirują ze względu na precesję, ten ruch wirowy naturalnie wprowadza okresowe zmiany, również w intensywności, ze względu na efekt Dopplera. Efekt ten został wykryty w strumieniach AGN na przestrzeni wielu lat.
W przypadku OJ 287, który jest uważany za najlepszego kandydata na supermasywną czarną dziurę w układzie podwójnym, Silke Britzen i jej zespół ustalili, że silne zmiany jasności i wygięcie strumienia mają precesyjne pochodzenie, co zostało opisane w ich pracy na temat Rosetty. Niedawno przewidywania wynikające z ich pracy zostały potwierdzone przez Komossę i innych naukowców.
Zespół badawczy zastosował teraz ten sam model do innych blazarów. Badając próbkę 12 znaczących AGN, ich wyniki pokazują, że zmienność jasności i krzywizny strumienia można rzeczywiście wyjaśnić poprzez modulację spowodowaną precesją.
Autorzy nie negują faktu, że fizyka strumienia może być spowodowana wewnętrznymi interakcjami w strumieniu, które są wyjaśniane przez model szoku w strumieniu oraz niestabilnościami w wiązce strumienia. Jednak proponują, że wygląd tych strumieni jest silnie modulowany i zmieniany przez precesję strumienia. Zgodnie z ich sugestią, strumienie te nie byłyby tak zakrzywione i jasne, gdyby nie zostały wzmocnione przez efekt precesji.
Uwalniając korelację między zwiększeniem jasności a wyrzucaniem składników strumienia, można badać wzajemne oddziaływanie dynamicznego układu, który jest zasadniczo przewidywalny, ponieważ można go interpretować w kontekście geometrycznym.
Zmienność blazarów w wielu galaktykach może w przeważającej mierze nie mieć charakteru stochastycznego, ale deterministyczny – powiedziała Silke Britzen. Fascynujące jest rozszyfrowanie wewnętrznego działania tej maszynerii czarnych dziur za pomocą badań zmienności.
Jednym z głównych wniosków tego badania jest, że krzywizna strumienia może być istotnym wskaźnikiem obecności podwójnych czarnych dziur w centrach tych galaktyk. Wydaje się, że strumień jest zmuszony do meandrowania ze względu na wpływ grawitacyjny drugiej czarnej dziury na czarną dziurę, która emituje ten strumień. Ponadto, zespół badawczy zdołał wykryć ślady ruchu nutacyjnego o mniejszej amplitudzie zarówno w radiowych krzywych blasku, jak i w kinematyce składników strumieni.
Fizyka dysków akrecyjnych i strumieni jest dość złożona, jednak można porównać ich kinematykę do prostych żyroskopów. Jeśli na dysk akrecyjny działa zewnętrzny moment obrotowy, na przykład generowany przez wirującą orbitującą czarną dziurę, to dysk ten będzie ulegał precesji nutacji, podobnie jak oś obrotu Ziemi, na którą wpływają Księżyc i Słońce – wyjaśnia Michal Zajaček z Uniwersytetu Masaryka (Brno, Czechy), który jest współautorem tego badania.
Obserwacje radiowe osiągają najwyższą rozdzielczość w obserwacjach astronomicznych dzięki połączeniu radioteleskopów na bardzo dużych odległościach za pomocą interferometrii wielkobazowej Very Long Baseline Radio Interferometry (VLBI). Jest to ta sama technika, która pozwoliła zespołowi Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT) po raz pierwszy zaobserwować cień czarnej dziury, obserwując czarną dziurę o masie 6,5 miliarda mas Słońca w galaktyce M87.
Poszukiwania tych bliskich par supermasywnych czarnych dziur trwają od dziesięcioleci i przypominają szukanie igły w stogu siana.
Obecnie nadal brakuje nam wystarczającej rozdzielczości, która umożliwiłaby bezpośrednie badanie istnienia podwójnych supermasywnych czarnych dziur. Jednak precesja strumienia wydaje się być najbardziej obiecującą sygnaturą tych obiektów. To odkrycie nie tylko cieszy społeczność naukowców zajmujących się czarnymi dziurami i galaktykami aktywnymi, ale również społeczność badaczy fal grawitacyjnych i pulsarów. Ostatnio opublikowano dowody na istnienie kosmicznego tła fal grawitacyjnych, które wywodzą się z połączenia masywnych czarnych dziur w historii kosmosu – podsumowała Silke Britzen.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
