Przejdź do treści

Gwałtowny wybuch czarnej dziury daje nowy wgląd w ewolucję gromady galaktyk

img

Miliardy lat temu, w centrum odległej gromady galaktyk, czarna dziura wyrzucała strumienie plazmy. Gdy plazma wypadła z czarnej dziury, odepchnęła materię, tworząc dwa duże zapadliska, które dzieli od siebie 180 stopni. W taki sam sposób, w jaki można obliczyć energię uderzenia meteorytu według wielkości krateru, który pozostawił, Michael Calzadilla, doktorant z Instytutu Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli MIT wykorzystał rozmiar zapadlisk, aby ustalić moc wybuchu czarnej dziury.

W niedawno opublikowanej pracy astronomowie opisują wybuch w gromadzie galaktyk SPT-CLJ0528-5300 (w skrócie SPT-0528). Łącząc objętość i ciśnienie wypartego gazu z wiekiem dwóch zapadlisk, byli w stanie obliczyć całkowitą energię wybuchu. Przy energii większej niż 1054 dżuli, sile odpowiadającej około 1038 bomb atomowych, jest to najpotężniejszy wybuch odnotowany w odległej gromadzie galaktyk. 

Wszechświat jest usiany gromadami galaktyk, zbiorowiskami setek a nawet tysięcy galaktyk, które są przesiąknięte gorącym gazem i ciemną materią. W centrum każdej gromady znajduje się czarna dziura przechodząca przez okres karmienia, w którym pochłania plazmę z gromady, a następnie okresy wybuchów, w których wystrzeliwuje strumienie plazmy. „Jest to ekstremalny przypadek fazy wybuchów” mówi Calzadilla o swojej obserwacji SPT-0528. Chociaż wybuch miał miejsce miliardy lat temu, zanim jeszcze ukształtował się nasz Układ Słoneczny, minęło ok. 6,7 mld lat, zanim światło z gromady galaktyk dotarło do obserwatorium rentgenowskiego Chandra. 

Ponieważ gromady galaktyk są pełne gazu, z początku teorie przewidywały, że w miarę ochładzania się gazu w gromadach zwiększy się prędkość formowania się gwiazd, które do wytworzenia potrzebują właśnie chłodnego gazu. Jednak gromady te nie są tak chłodne, jak przewidywano, i dlatego nie tworzyły nowych gwiazd w oczekiwanym tempie. Coś uniemożliwiło pełne ochłodzenie gazu. Sprawcami były supermasywne czarne dziury, których wybuchy plazmy utrzymują gaz w gromadach galaktyk zbyt ciepłym, aby gwiazdy mogły się szybko formować.

Zarejestrowany wybuch w SPT-0528 ma jeszcze jedną właściwość, która odróżnia go od innych wybuchów czarnych dziur. Jest niepotrzebnie duży. Proces chłodzenia się gazu i uwalniania gorącego gazu z czarnych dziur jest uważany przez astronomów za równowagę, która utrzymuje stabilną temperaturę w gromadzie galaktyk. Wybuch w SPT-0528 nie pozostaje jednak w równowadze.

Według Calzadilli, jeżeli spojrzeć na ilość mocy, jaka jest uwalniana jako chłodny gaz na czarną dziurę w porównaniu do tego, ile energii jest zawartej w wybuchu, wybuch jest zdecydowanie przesadzony. W analogii Michaela McDonalda, współautora pracy, wybuch w SPT-0528 jest wadliwym termostatem. „To tak, jakby chłodzić powietrze o 2 stopnie a reakcją termostatu było ogrzanie pomieszczenia o 100 stopni” – wyjaśnia McDonald.

Wcześniej w 2019 roku McDonald i współpracownicy opublikowali artykuł analizujący inną gromadę galaktyk, która wykazuje zupełnie odwrotne zachowanie niż SPT-0528. Zamiast niepotrzebnego gwałtownego wybuchu, czarna dziura w gromadzie Feniks nie jest w stanie powstrzymać gazu przed ochłodzeniem. W przeciwieństwie do wszystkich innych znanych gromad galaktyk, Feniks jest pełna młodych gwiezdnych żłobków, co odróżnia ją od większości gromad galaktyk.

Astronomowie charakteryzują 100 gromad galaktyk. Powodem charakteryzowania tak dużej ich kolekcji jest to, że każdy obraz teleskopu rejestruje gromady w określonym momencie, podczas gdy ich zachowania zmieniają się w czasie kosmicznym. Gromady te pokrywają szereg odległości i grup wiekowych, co pozwala im zbadać, jak zmieniają się właściwości gromad w kosmicznej skali czasowej.

Badania te przypominają badania paleontologa próbującego odtworzyć ewolucję zwierzęcia z rzadkiego zapisu skamieniałości. Zamiast tego Calzadilla bada gromady galaktyk, od SPT-0528 z gwałtownym wybuchem plazmy na jednym końcu do Feniksa z szybkim chłodzeniem się gazu na drugim końcu. Jeżeli astronomowie zbadają wystarczającą liczbę próbek, mogą zrozumieć, jak ewoluują gromady galaktyk.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
The billion-year belch

Discovery of a Powerful >1061 erg AGN Outburst in the Distant Galaxy Cluster SPT-CLJ0528-5300

Źródło: MIT