Astronomowie dostrzegają niespotykane dotąd zjawiska na skraju aktywnej czarnej dziury
Zespół astronomów monitorujący supermasywną czarną dziurę w odległej galaktyce wykryły cechy, których nigdy wcześniej nie widziano.
 |
| Galaktyka aktywna 1ES 1927+654 (zakreślona), skrywająca centralną supermasywną czarną dziurę. Źródło: Pan-STARRS |
Międzynarodowe zespoły astronomów monitorujące supermasywną czarną dziurę w sercu odległej galaktyki wykryły cechy, których nigdy wcześniej nie widziano, wykorzystująca dane z misji NASA i innych instrumentów. Cechy te obejmują uruchomienie strumienia plazmy poruszającego się z prędkością prawie ⅓ prędkości światła oraz niezwykłe, szybkie fluktuacje promieniowania rentgenowskiego, które prawdopodobnie powstają w pobliżu samej krawędzi czarnej dziury.
Źródłem jest 1ES 1927+654, galaktyka aktywna znajdująca się w odległości około 270 milionów lat świetlnych w konstelacji Smoka. Zawiera ona centralną czarną dziurę o masie odpowiadającej około 1,4 miliona Słońc.
W 2018 roku czarna dziura zaczęła zmieniać swoje właściwości na naszych oczach, z dużym wybuchem optycznym, ultrafioletowym i rentgenowskim – powiedziała Eileen Meyer, profesor nadzwyczajny na UMBC. Od tego czasu wiele zespołów bacznie ją obserwuje.
Artykuł opisujący wyniki radiowe został opublikowany 13 stycznia 2025 roku w The Astrophysical Journal Letters.
Po wybuchu czarna dziura wydawała się powracać do spokojnego stanu, z przerwą na aktywność przez prawie rok. Jednak do kwietnia 2023 roku zespół kierowany przez Sibasisha Lahę z UMBC i Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA w Greenbelt odnotował stały, wielomiesięczny wzrost niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego w pomiarach przeprowadzonych przez Obserwatorium Neil Gehrels Swift i teleskop NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ten program monitorowania, który obejmuje również obserwacje z NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) i XMM-Newton, jest kontynuowany.
Wzrost promieniowania rentgenowskiego skłonił zespół UMBC do przeprowadzenia nowych obserwacji radiowych, które wykazały, że trwa silny i bardzo nietypowy błysk radiowy. Następnie naukowcy rozpoczęli intensywne obserwacje przy użyciu VLBA (Very Long Baseline Array) NRAO (National Radio Astronomy Observatory) i innych urządzeń. VLBI, sieć radioteleskopów rozmieszczonych na terenie Stanów Zjednoczonych, łączy sygnały z poszczególnych anten, tworząc coś w rodzaju potężnej kamery radiowej o wysokiej rozdzielczości. Pozwala to VLBA na wykrycie obiektów o średnicy mniejszej niż rok świetlny w odległości 1ES 1927+654.
Dane radiowe z lutego, kwietnia i maja 2024 roku ujawniają coś, co wydaje się być strumieniami zjonizowanego gazu lub plazmy, rozciągającymi się po obu stronach czarnej dziury, o łącznym rozmiarze około pół roku świetlnego. Astronomowie od dawna zastanawiali się, dlaczego tylko ułamek monstrualnych czarnych dziur wytwarza potężne strumienie plazmy, a te obserwacje mogą dostarczyć kluczowych wskazówek.
Nigdy wcześniej nie zaobserwowano wypływu czarnej dziury w czasie rzeczywistym – zauważyła Meyer. Uważamy, że wypływ rozpoczął się wcześniej, gdy promieniowanie rentgenowskie wzrosło przed rozbłyskiem radiowym, a strumień był zasłonięty przed naszym wzrokiem przez gorący gaz, aż do wybuchu na początku 2024 roku.
Artykuł badający tę możliwość został opublikowany 4 stycznia 2025 roku w arXiv.
Korzystając z obserwacji XMM-Newton, Megan Masterson, współautorka artykułu, odkryła, że czarna dziura wykazywała niezwykle szybkie wahania promieniowania rentgenowskiego między lipcem 2022 roku a marcem 2024 roku. W tym okresie jasność rentgenowska wielokrotnie wzrastała i spadała o 10% co kilka minut. Takie zmiany, zwane milihercowymi oscylacjami kwaziperiodycznymi, są trudne do wykrycia wokół supermasywnych czarnych dziur i do tej pory zaobserwowano je tylko w kilku układach.
Jednym ze sposobów na wytworzenie tych oscylacji jest orbitowanie obiektu wewnątrz dysku akrecyjnego czarnej dziury. W tym scenariuszu każdy wzrost i spadek promieniowania rentgenowskiego reprezentuje jeden cykl orbitalny – powiedziała Masterson.
Gdyby fluktuacje były powodowane przez orbitującą masę, wówczas okres ten skracałby się wraz ze zbliżaniem się obiektu do horyzontu zdarzeń czarnej dziury, punktu bez powrotu. Krążące masy generują fale w czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi. Fale te pochłaniają energię orbitalną, przybliżając obiekty do czarnej dziury, zwiększając jego prędkość i skracając okres orbitalny.
W ciągu dwóch lat okres fluktuacji spadł z 18 minut do zaledwie 7 – był to pierwszy w historii pomiar tego rodzaju wokół supermasywnej czarnej dziury. Jeśli był to obiekt orbitujący, to poruszał się on z prędkością równą połowie prędkości światła. Potem stało się coś nieoczekiwanego – okres fluktuacji ustabilizował się.
Na początku byliśmy tym zszokowani – wyjaśniła Masterson. Ale zdaliśmy sobie sprawę, że gdy obiekt zbliżał się do czarnej dziury, jego silne przyciąganie grawitacyjne mogło zacząć usuwać materię z towarzysza. Ta utrata masy mogłaby zrównoważyć energię usuniętą przez fale grawitacyjne, zatrzymując ruch towarzysza do wewnątrz.
Czym więc mógł być ten nowy towarzysz? Mała czarna dziura wpadłaby do środka, a normalna gwiazda szybko zostałaby rozerwana przez siły pływowe w pobliżu monstrualnej czarnej dziury. Zespół odkrył jednak, że biały karzeł o niskiej masie – gwiezdna pozostałość wielkości Ziemi – może pozostać nienaruszony w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, jednocześnie zrzucając część swojej materii. Artykuł prowadzony przez Masterson podsumowujący te wyniki ukaże się w czasopiśmie Nature 13 lutego 2025 roku.
Masterson uważa, że model ten przedstawia kluczową prognozę. Jeżeli czarna dziura ma towarzysza w postaci białego karła, wytwarzane przez niego fale grawitacyjne będą wykrywalne przez LISA (Laser Interferometer Space Antenna), misję ESA we współpracy z NASA, której start spodziewany jest w ciągu najbliższej dekady.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
