Astronomowie zobrazowali gaz krążący wokół supermasywnej czarnej dziury odległej od nas o około dwa miliardy lat świetlnych. To pierwsze takie obserwacje!
Z pomocą nowego instrumentu Gravity (Gravity instrument on the Very Large Telescope Interferometer), wybudowanego w Chile, wykonano już szereg ciekawych pomiarów. Zebrano na przykład dane wskazujące na istnienie długo poszukiwanych dowodów na efekty grawitacyjne, jakim ulega światło gwiazd, przechodząc przez centralną część Drogi Mlecznej. Zbadano też pobliskiego kwazara 3C 273, w którego centrum również znajduje się supermasywna czarna dziura – i to o masie 300 milionów mas Słońca. Zajrzano także bezpośrednio w jego tajemnicze do niedawna wnętrze.
Kwazary to jasno świecące na niebie jądra tak zwanych galaktyk aktywnych. Widzimy je jako wyjątkowo jasne, ponieważ świecą na skutek akrecji i rozgrzewania się materii opadającej na znajdujące się w ich centrach czarne dziury. Dzięki Gravity udało się teraz wykonać bardzo dokładną mapę jądra kwazara 3C 273.
Podobnie jak inne kwazary, 3C 273 ma w sobie obszar rozgrzanego gazu leżący w bezpośredniej bliskości czarnej dziury. Bywa on nazywany obszarem szerokich linii (ang. broad-line region). Wynika to z faktu, że linie spektralne gazu w tym obszarze jawią się nam jako poszerzone i rozmyte. W zwykłych okolicznościach linie te są wąskie, ale gdy obłoki gazu poruszają się, stają się dłuższe i bardziej czerwone, gdy obiekt oddala się od obserwatora, lub krótsze i bardziej niebieskie, jeśli się zbliża). To jedna z postaci znanego nam dość dobrze ze szkoły (lub z obserwacji odgłosów samochodów na drodze) efektu Dopplera.
Mniej więcej to samo dzieje się z linią widmową danego atomu lub związku chemicznego, gdy jej źródło jest w ruchu – rozmywa się ona na inne częstotliwości. Wielkość tego rozmycia wskazuje na prędkość, z jaką porusza się gaz. Co więcej, gaz krążący blisko czarnej dziury może poruszać się przy tym szybciej niż ten orbitujący w większej odległości do centrum kwazara. Oceniając rozmycie linii widmowych astronomowie, doszli więc do wniosku, że obszar emisji szerokich linii jest jednym z najbliższych możliwych jeszcze do zbadania rejonów wokół czarnej dziury.
Astronomowie wciąż jednak niewiele wiedzą o tym obszarze. Nic dziwnego – nigdy dotąd nie widzieli go „na własne oczy”. Nie wiadomo na przykład, jak dokładnie on wygląda. Czy tworzy go wewnętrzny obszar dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury, czy może raczej otoczka złożona z niezależnych obłoków gazu? Wcześniejsze badania wnętrz kwazarów dotyczyły głównie wnioskowania na temat obecnych w nich ruchów gazu i związanych z nimi wzorców spektralnych. Teraz zespół Gravity Collaboration donosi o całkiem innych wynikach badań obszaru emisji poszerzonych linii widmowych, wykonanych w oparciu o nowo uzyskane obrazy rozkładu gazu w miejscu ich powstawania.
Zespół wykorzystał różne konfiguracje par teleskopów VLT. Każda para teleskopów była od siebie oddalona o konkretną wielkość, a dzięki zastosowaniu interferometrii scalone cyfrowo dane z tych instrumentów dały obraz o tej samej rozdzielczości. Łącznie teleskopy w różnych parach zobrazowały co innego – te znajdujące blisko siebie dały duże powiększenie centrum kwazara, natomiast te bardziej oddalone przesłały duży obraz z wieloma szczegółami.
Widać, że podczas gdy jedna strona obszaru emisji szerokich linii zbliża się ku nam, jego druga się oddala – czego naukowcy się oczywiście spodziewali. Wydaje się też, że obłoki gazu krążą wokół dysku pod różnymi kątami nachylenia do naszej linii wzroku. Co więcej, gaz ten obraca się wokół czarnej dziury zgodnie z kierunkiem nadawanym przez wydobywające się z niej dżety plazmy, co jest dokładnie tym, co powinniśmy móc zaobserwować.
Na rysunku: uproszczona geometria obszaru emisji szerokich linii dla kwazara 3C 273. Poszczególne obłoki gazu są rozmieszczone w grubym pierścieniu (zielony zacieniony obszar) i obracają się wokół centralnej czarnej dziury. Astronomowie na Ziemi widzą ten układ pod niewielkim kątem (i).
Źródło: GRAVITY Collaboration
Możliwe było też oszacowanie wielkości obszaru emisji szerokich linii. Ma on w tym konkretnym przypadku rozmiar rzędu 145 dni świetlnych, co mieści się w zakresie wcześniejszych przewidywań.
Takie mapowanie obszaru leżącego w samym sercu AGN wykonano po raz pierwszy w historii. Wcześniej astronomowie widzieli tam tylko bezkształtną bryłę – dużą, grubą linię emisyjną bez wyraźnego obrazu ruchów gazu. Choć już wiele lat temu powstały liczne teorie wyjaśniające procesy zachodzące w centrach galaktyk aktywnych, dopiero teraz instrument Gravity dowiódł obserwacyjnie, że obecny tam gaz faktycznie się obraca.
Czytaj więcej:
- Cały artykuł
- Oryginalna publikacja naukowa: Gravity Collaboration. Spatially resolved rotation of the broad-line region of a quasar at sub-parsec scale, Nature 2018
- Więcej na temat 3C 273
Źródło: Gravity/Sky&Telescope.com
Na zdjęciu powyżej: stary i jasny kwazar 3C 273 znajduje się w olbrzymiej galaktyce eliptycznej w konstelacji Panny. To pierwszy kwazar, jaki kiedykolwiek zidentyfikowano. 200 000 lat świetlnych. Widoczna przy nim smuga jest dżetem wystrzeliwanym w kosmos przez centralną czarną dziurę i rozciągającym się na około 200 000 lat świetlnych.
Źródło: ESA / Hubble & NASA
