Zespół astronomów po raz pierwszy odkrył słabą emisję radiową obejmującą olbrzymią galaktykę z energetyczną czarną dziurą w centrum. Emisja radiowa pochodzi z gazu, który jest wytwarzany bezpośrednio przez centralną czarną dziurę. Wyniki uzyskano dzięki obrazowaniu o wysokim zakresie dynamicznym. Zespół badaczy spodziewa się zrozumieć, w jaki sposób czarna dziura oddziałuje z galaktyką macierzystą, stosując tę samą technikę do innych kwazarów.
3C 273, znajdujący się w odległości 2,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi, jest kwazarem. Stanowi on jądro galaktyki, w której centrum prawdopodobnie znajduje się masywna czarna dziura. Czarne dziury połykają otaczający je gaz, ale gaz znajdujący się na krawędzi pożarcia przez czarną dziurę emituje ogromne ilości promieniowania. Sprawia to, że kwazary są jednymi z najjaśniejszych obiektów na niebie. Wbrew swojej nijakiej nazwie, 3C 273 jest pierwszym kwazarem, jaki kiedykolwiek odkryto, najjaśniejszym i najlepiej zbadanym. Jako taki jest też jednym z najczęściej obserwowanych przez teleskopy źródeł promieniowania, ponieważ może być używany jako wzorzec położenia na niebie: innymi słowy, 3C 273 jest radiową latarnią morską.
Gdy widzimy reflektor samochodu, jego oślepiająca jasność utrudnia dostrzeżenie ciemnego otoczenia. To samo dzieje się z teleskopami podczas obserwacji jasnych obiektów. Kontrast między najjaśniejszymi i najciemniejszymi tonami obrazu nazywany jest zakresem dynamicznym. Aby na jednym obrazie z teleskopu można było dostrzec zarówno jasne, jak i ciemne partie, potrzebny jest wysoki zakres dynamiczny. ALMA może regularnie osiągać zakres dynamiczny obrazu do około 100, ale komercyjnie dostępne aparaty cyfrowe mają zakres dynamiczny rzędu kilku tysięcy. Teleskopy radiowe nie są zatem zbyt dobre w obserwowaniu obiektów o dużym kontraście.
Kwazar 3C 273 jest znany od dziesięcioleci, ale jak dotąd badano głównie jego jasne jądro centralne, z którego pochodzi większość fal radiowych. Znacznie mniej wiadomo było o samej galaktyce macierzystej, ponieważ połączenie słabej i rozproszonej galaktyki z jądrem kwazara 3C 273 wymagało dużych zakresów dynamicznych do jego detekcji. Zespół badawczy zastosował technikę zwaną samokalibracją, aby zredukować przeciek fal radiowych z 3C 273 do obrazu galaktyki. Sam kwazar został wykorzystany do skorygowania wpływu ziemskich zakłóceń atmosferycznych na system teleskopu. Osiągnięto zakres dynamiczny obrazu 8rzędu 5 000, co stanowi rekord instrumentu ALMA dla obiektów pozagalaktycznych.
W wyniku uzyskania wysokiego zakresu dynamicznego obrazowania zespół odkrył słabą emisję radiową rozciągającą się na dziesiątki tysięcy lat świetlnych nad galaktyką macierzystą 3C 273. Emisja radiowa wokół kwazarów zwykle sugeruje, że jest to promieniowanie synchrotronowe, które pochodzi z wysokoenergetycznych zdarzeń, takich jak wybuchy procesów gwiazdotwórczych lub ultraszybkie dżety emanujące z jądra centralnego. Dżet synchrotronowy istnieje również w kwazarze 3C 273. Ważną cechą emisji synchrotronowej jest to, że jej jasność zmienia się wraz z częstotliwością, ale słaba emisja radiowa odkryta przez zespół miała stałą jasność niezależnie od częstotliwości radiowej. Po rozważeniu alternatywnych mechanizmów zespół stwierdził, że ta słaba i rozległa emisja radiowa pochodzi od gazu wodorowego w galaktyce, który został naenergetyzowany bezpośrednio przez jądro 3C 273. Jest to pierwszy przypadek odkrycia, że fale radiowe pochodzące z takiego mechanizmu rozciągają się na dziesiątki tysięcy lat świetlnych w galaktyce macierzystej kwazara. Astronomowie przez dziesięciolecia nie dostrzegali tego zjawiska w tej ikonicznej kosmicznej latarni morskiej.
Dlaczego więc to odkrycie jest tak ważne? W astronomii galaktycznej wielką zagadką jest to, czy energia pochodząca z jądra kwazara może być na tyle duża, aby pozbawić galaktykę zdolności do tworzenia gwiazd. Słaba emisja radiowa może pomóc w rozwiązaniu tego problemu. Gazowy wodór jest niezbędnym składnikiem do formowania się gwiazd, ale jeżeli świeci na niego tak silne światło, że gaz ulega rozpadowi (jonizacji), gwiazdy nie mogą się narodzić. Aby zbadać, czy proces ten zachodzi wokół kwazarów, astronomowie wykorzystali światło widzialne emitowane przez zjonizowany gaz. Problem w pracy ze światłem widzialnym polega na tym, że pył kosmiczny pochłania je w drodze do teleskopu, trudno jest więc określić, ile światła wyemitował gaz. Co więcej, mechanizm odpowiedzialny za emisję światła widzialnego jest skomplikowany, co zmusza astronomów do przyjmowania wielu założeń. Fale radiowe odkryte w tym badaniu w wyniku prostych procesów pochodzą z tego samego gazu i nie są pochłaniane przez pył. Wykorzystanie fal radiowych znacznie ułatwia pomiary zjonizowanego gazu tworzonego przez jądro 3C 273. W tym badaniu astronomowie stwierdzili, że co najmniej 7% światła pochodzącego od 3C 273 zostało zaabsorbowane przez gaz w galaktyce macierzystej, tworząc zjonizowany gaz o masie 10–100 miliardów razy większej od masy Słońca. Jednak kwazar 3C 273 zawiera dużo gazu tuż przed uformowaniem się gwiazd, więc nie wygląda na to, by procesy gwiazdotwórcze były silnie tłumione przez jego jądro.
To odkrycie otwiera nową drogę do badania problemów, które wcześniej były rozwiązywane przy użyciu obserwacji w świetle widzialnym – mówi Shinya Komugi, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie Kogakuin i główny autor pracy opublikowanej w „Astrophysical Journal”. Stosując tę samą technikę do innych kwazarów, spodziewamy się zrozumieć, w jaki sposób galaktyka ewoluuje poprzez oddziaływanie z jądrem centralnym.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Unknown structure in galaxy revealed by high contrast imaging
- Detection of Extended Millimeter Emission in the Host Galaxy of 3C 273 and Its Implications for QSO Feedback via High Dynamic Range ALMA Imaging
Źródło: ALMA
Na ilustracji: Wizja artystyczna olbrzymiej galaktyki z wysokoenergetycznym dżetem. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
