Jak czarne dziury łączą pochłanianie materii z emisją dżetów?
Supermasywne czarne dziury potrafią jednocześnie przyciągać i pochłaniać materię oraz emitować w przestrzeń kosmiczną ogromne strumienie plazmy. Takie dżety przemieszczają się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Zjawisko to od dawna stanowi przedmiot zainteresowania astronomów. Intensywny dopływ materii powinien bowiem prowadzić do utworzenia chłodnego i spłaszczonego dysku akrecyjnego, który utrudniałby wyrzucanie tak potężnych strumieni.
Nowych wskazówek w tej sprawie dostarczyli badacze pracujący pod kierownictwem Hirofumiego Nody z Tohoku University i Kazuhiro Hady z Nagoya City University. Zespół zestawił wyniki obserwacji przeprowadzonych przez misję X-Ray Imaging and Spectroscopy Mission (XRISM) z pomiarami wykonanymi przez międzynarodowe sieci radioteleskopów oraz instrumentów milimetrowych. Pozwoliło to określić warunki panujące wokół czarnej dziury, która pomimo intensywnego pochłaniania materii jest w stanie wytwarzać potężny dżet relatywistyczny. Rezultaty badań przedstawiono na łamach czasopisma „The Astrophysical Journal Letters”.
Wykorzystanie danych rentgenowskich i radiowych dotyczących tego samego obiektu umożliwiło równoczesne zbadanie gorącej plazmy w jego otoczeniu oraz struktury wyrzucanego strumienia. Astronomowie mogli dzięki temu zestawić właściwości najbliższego otoczenia czarnej dziury z obserwowanym dżetem.
Galaktyka 3C 120 dostarczyła nowych wskazówek
Przedmiotem obserwacji była galaktyka 3C 120, znajdująca się w gwiazdozbiorze Byka. Jest to galaktyka aktywna, której jądro emituje znaczne ilości energii niezwiązanej z typową emisją gwiazd, pyłu i gazu międzygwiazdowego. W jej centrum znajduje się supermasywna czarna dziura, która intensywnie pochłania materię i jednocześnie wyrzuca dżet.
Za pomocą instrumentu XRISM zarejestrowano linię emisyjną żelaza powstającą w dysku akrecyjnym otaczającym czarną dziurę. Zarejestrowany sygnał nosił ślady zniekształceń wynikających z efektów przewidzianych przez ogólną teorię względności Einsteina. Na tej podstawie naukowcy mogli określić odległość, w której kończy się dysk akrecyjny.
Pomiary wykazały, że jego chłodna i względnie płaska część sięga około 20 promieni czarnej dziury. Poza nią rozciąga się obszar wypełniony plazmą o temperaturze wynoszącej setki milionów stopni. Równolegle wykorzystano dane zebrane przez Global Millimeter VLBI Array, Very Long Baseline Array oraz East Asian VLBI Network. Obserwacje te umożliwiły prześledzenie zwężającego się dżetu aż do jego źródła położonego w pobliżu czarnej dziury.
Znaczenie gorącej plazmy w powstawaniu dżetów
Według badaczy ekstremalnie wysoka temperatura plazmy może sprzyjać koncentracji pól magnetycznych wokół czarnej dziury. Tak powstałe pola mogą odbierać część energii związanej z ruchem obrotowym obiektu, a następnie wykorzystywać ją do zasilania dżetu.
Wyniki obserwacji galaktyki 3C 120 wskazują na obecność warunków umożliwiających działanie takiego mechanizmu. Zdaniem zespołu uzyskane dane pomagają wyjaśnić, dlaczego supermasywne czarne dziury mogą emitować potężne strumienie plazmy nawet wtedy, gdy bardzo intensywnie pochłaniają materię.
Naukowcy przygotowują następne obserwacje
Przeprowadzone analizy mogą poszerzyć możliwości badania najbliższego otoczenia supermasywnych czarnych dziur. Astronomowie rozpoczęli już kolejne wspólne obserwacje, tym razem obejmujące masywniejszą czarną dziurę. Wykorzystują w tym celu instrument XRISM oraz obserwatoria radiowe. Zgromadzone pomiary zostaną następnie zestawione z przewidywaniami modeli teoretycznych i wynikami symulacji komputerowych.
Badacze zamierzają dokładniej przeanalizować zależności między materią, polami magnetycznymi i obrotem czarnej dziury. Lepsze poznanie tych zjawisk może również przyczynić się do wyjaśnienia wpływu supermasywnych czarnych dziur na przemiany zachodzące w galaktykach oraz większych strukturach kosmicznych.
Mariusz Drzewiecki
