ALMA i kosmiczny pączek

Radioteleskopy sieci ALMA wykonały mapę obracającego się, pełnego pyłu pierścienia leżącego wokół supermasywnej czarnej dziury. Istnienie takich struktur w kształcie pączków z dziurką zostało zasugerowane już wiele lat temu, ale teraz po raz pierwszy teoria ta doczekała się jednoznacznego potwierdzenia. Jest to ważny krok w zrozumieniu wspólnej ewolucji masywnych czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych.

Prawie wszystkie duże galaktyki mają w swych centrach czarne dziury. Badacze od dawna wiedzieli, że im większa jest taka galaktyka, tym bardziej masywna jest także jej centralna czarna dziura. Na pierwszy rzut oka wydaje się to dość logiczne, jednak weźmy pod uwagę fakt, że galaktyki są przeciętnie 10 miliardów razy większe od swych czarnych dziur, jak zatem dwa obiekty występujące w tak różnych skalach mogą bezpośrednio oddziaływać na siebie nawzajem? Skąd ta zależność pomiędzy ich masami?

Aby zbliżyć się do rozwiązania tego problemu, astronomowie po raz kolejny wykorzystali wysoką rozdzielczość interferometru radiowego ALMA. Z jego pomocą dokładniej niż kiedykolwiek przedtem zobrazowali środek galaktyki spiralnej M77. Jej centralny obszar jest aktywnym jądrem galaktycznym (ang. AGN). W kierunku znajdującej się tam czarnej dziury z dużą prędkością opada galaktyczna materia, która emituje przy tym intensywne promieniowanie w różnych zakresach widma elektromagnetycznego. Takie aktywne jądra galaktyk mogą silnie wpływać na swe zewnętrzne środowisko, są też najprawdopodobniej związane z zależnościami pomiędzy ewolucją czarnych dziur i samych galaktyk.

Zdjęcie: wizja artystyczna gazowego torusa okrążającego supermasywną czarną dziurę. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Okazało się, że w M77 rezyduje zwarta struktura gazowa o promieniu 20 lat świetlnych. Zgodnie z oczekiwaniami twór ten rotuje. Przewidywał to m. in. tak zwany zunifikowany model AGN (ang. unified AGN model). Co jednak ciekawe, ten kosmiczny poączek w przypadku M77 okazał się bardzo niewielki.

Centrum M77 obserwowano już przedtem wielokrotnie, jednak nigdy dotąd nie udało się uchwycić tak jednoznacznego obrazu obrotu struktury pączka wokół czarnej dziury. Kluczem do powodzenia była w tym przypadku nie tylko duża zdolność rozdzielcza sieci ALMA, ale i wybór konkretnej linii molekularnej do obserwacji. Naukowcy postawili na emisję mikrofal emitowanych przez cząsteczki cyjanowodoru (HCN) i jonów formylowych (HCO +). Cząsteczki te emitują mikrofale tylko w gęstym gazie, podczas gdy znacznie częściej obserwowany tlenek węgla (CO) generuje promieniowanie mikrofalowe także w innnych warunkach fizycznych.

Co ciekawe, rozkład gazu wokół supermasywnej czarnej dziury M77 jest znacznie bardziej skomplikowany niż sugeruje to prosty, zunifikowany model. Torus wydaje się mieć pewną asymetrię, a jego rotacja nie jest związana tylko z grawitacją czarnej dziury i zawiera też wysoce losowe ruchy. Wszystko to może świadczyć o tym, że całe aktywne jądro galaktyczne M77 ma za sobą burzliwą historię, mogło też kiedyś połączyć się z inną, małą galaktyką.

 

Czytaj więcej:

 

Źródło: ALMA

Zdjęcie: centralny obszar spiralnej galaktyki M77. Kosmiczny Teleskop Hubble'a zobrazował w nim rozkład gwiazd. ALMA ujawniła z kolei dystrybucję gazu w samym centrum tej galaktyki, w tym podobną do podkowy strukturę o promieniu 700 lat świetlnych i centralny, zwarty komponent o promieniu 20 lat świetlnych - gazowy torus otaczający AGN. Kolor czerwony wskazuje na obszary emisji jonów formylowych (HCO +), a zielony - na emisję cyjanowodoru. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Imanishi et al., NASA/ESA Hubble Space Telescope and A. van der Hoeven