W 2020 roku teleskop rentgenowski eROSITA wykonał zdjęcia dwóch olbrzymich bąbli rozciągających się daleko nad i pod centrum naszej Galaktyki, wywołane przez supermasywną czarną dziurę w jej sercu.
Od tego czasu astronomowie dyskutowali nad ich pochodzeniem. Obecnie, badania przeprowadzone przez zespół naukowców sugerują, że bąble są wynikiem potężnego strumienia aktywności pochodzącego z supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Badanie, opublikowane w Nature Astronomy, pokazuje również, że strumień zaczął wyrzucać materię około 2,6 miliona lat temu i trwał przez około 100 000 lat.
Wyniki badań zespołu sugerują, że bąble Fermiego, odkryte w 2010 roku, oraz mgła mikrofalowa – mgła naładowanych cząstek mniej więcej w centrum Galaktyki – zostały utworzone przez ten sam strumień energii z supermasywnej czarnej dziury.
Nasze odkrycia są ważne w tym sensie, że musimy zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury oddziałują z galaktykami, w których się znajdują, ponieważ to oddziaływanie pozwala tym czarnym dziurom rosnąć w sposób kontrolowany, a nie niekontrolowany – powiedział astronom z U-M Mateusz Ruszkowski, współautor badania. Jeżeli uwierzy się w model tych bąbli Fermiego i bąbli eROSITA jako napędzanych przez supermasywne czarne dziury, można zacząć odpowiadać na te głębokie pytania.
Istnieją dwa konkurujące ze sobą modele wyjaśniające powstawanie tych bąbli, nazywanych bąblami Fermiego i eROSITA od nazwy teleskopów, które je obserwowały – mówi Ruszkowski. Pierwszy z nich sugeruje, że wypływ jest napędzany przez wybuch gwiazdy w supernową, który wyrzuca materię. Drugi model, który potwierdzają wyniki badań zespołu, sugeruje, że wypływy te są zasilane przez energię wyrzucaną z supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki.
Te wypływy z czarnych dziur powstają, gdy materia zmierza w kierunku czarnej dziury, ale nigdy nie przekracza jej horyzontu zdarzeń. Ponieważ część tej materii jest wyrzucana z powrotem w przestrzeń kosmiczną, czarne dziury nie rosną w sposób niekontrolowany. Jednak energia wyrzucana z czarnej dziury powoduje przemieszczanie się materii w jej pobliże, tworząc duże bąble.
Same struktury mają wysokość 11 kiloparseków. Jeden parsek to 3,26 roku świetlnego, czyli mniej więcej trzykrotnej odległości, jaką światło pokonuje w ciągu roku. Struktury te mają więc wysokość prawie 36 000 lat świetlnych.
Dla porównania, galaktyka Drogi Mlecznej ma średnicę 30 kiloparseków, a nasz Układ Słoneczny znajduje się około 8 kiloparseków od centrum Galaktyki. Bąble eROSITA są około dwa razy większe od bąbli Fermiego i według badaczy rozszerzają się pod wpływem fali uderzeniowej wypychanej przez bąble Fermiego.
Astronomowie są zainteresowani obserwacjami bąbli eROSITA przede wszystkim dlatego, że występują one na naszym własnym galaktycznym podwórku, w przeciwieństwie do obiektów znajdujących się w innej galaktyce lub w bardzo dużej odległości kosmologicznej. Nasza bliskość od tych wypływów oznacza, że astronomowie mogą zebrać olbrzymią ilość danych, mówi Ruszkowski. Dane te mogą dostarczyć informacji na temat ilości energii w strumieniu pochodzącym z czarnej dziury, czasu, przez jaki energia ta była wstrzykiwana oraz materii, z której zbudowane są bąble.
Możemy nie tylko wykluczyć model gwiezdnego wybuchu, ale także dostroić parametry potrzebne do uzyskania takich samych obrazów, lub czegoś bardzo podobnego do tego, co widzimy na niebie, w ramach modelu supermasywnej czarnej dziury – powiedział Ruszkowski. Możemy lepiej określić pewne rzeczy, np. ile energii zostało wpompowane, co znajduje się wewnątrz bąbli i jak długo energia była wstrzykiwana w celu wytworzenia tych bąbli.
Co się w nich znajduje? Promieniowanie kosmiczne – forma wysokoenergetycznego promieniowania. Bąble eROSITA otaczają bąble Fermiego, których zawartość nie jest znana. Modele opracowane przez naukowców mogą jednak przewidzieć ilość promieniowania kosmicznego wewnątrz każdej z tych struktur. Zastrzyk energii z czarnej dziury spowodował napełnienie bąbli, a sama energia miała postać energii kinetycznej, termicznej i promieniowania kosmicznego. Spośród tych form energii misja Fermiego mogła wykryć jedynie sygnał promieniowania gamma promieniowania kosmicznego.
Karen Yang, główna autorka pracy i adiunkt na National Tsing Hua University na Tajwanie, rozpoczęła pracę nad wczesną wersją kodu wykorzystanego w tej pracy w modelowaniu jako badaczka na U-M wraz z Roszkowskim. Aby dojść do swoich wniosków, badacze przeprowadzili symulacje numeryczne uwalniania energii, które uwzględniają hydrodynamikę, grawitację i promieniowanie kosmiczne.
Nasza symulacja jest wyjątkowa, ponieważ uwzględnia interakcję pomiędzy promieniowaniem kosmicznym a gazem w Drodze Mlecznej. Promieniowanie kosmiczne, wstrzykiwane przez strumienie czarnej dziury, rozszerzają się i tworzą bąble Fermiego, które świecą w promieniach gamma – powiedziała Yang.
Ta sama eksplozja odpycha gaz od centrum Galaktyki i tworzy falę uderzeniową, która jest obserwowana jako bąble eROSITA. Nowa obserwacja bąbli eROSITA pozwoliła nam dokładniej określić czas trwania aktywności czarnej dziury i lepiej zrozumieć przyszłą historię naszej własnej Galaktyki.
Według współautorki badania, Ellen Zweibel, profesor astronomii i fizyki na Uniwersytecie Wisconsin, model naukowców wyklucza teorię jądrowego wybuchu gwiazdy, ponieważ typowy czas trwania takiego wybuchu, a więc okres, w którym wybuch gwiazdy mógłby dostarczyć energii tworzącej bąble wynosi około 10 milionów lat.
Z drugiej strony, nasz model aktywnej czarnej dziury dokładnie przewiduje względne rozmiary bąbli promieniowania rentgenowskiego eROSITA i bąbli promieniowania gamma Fermiego, pod warunkiem, że czas wstrzykiwania energii wynosi około 1% tego czasu – powiedziała Zweibel.
Wstrzykiwanie energii przez 10 milionów lat spowodowałoby powstanie bąbli o zupełnie innym wyglądzie. To właśnie możliwość porównania bąbli promieniowania rentgenowskiego i gamma dostarcza kluczowego, wcześniej brakującego elementu.
Więcej informacji:
- Massive bubbles at center of Milky Way caused by supermassive black hole
- Fermi and eROSITA bubbles as relics of the past activity of the Galaxy’s central black hole
Źródło: UMich
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Na ilustracji: Wizja artystyczna Drogi Mlecznej oraz bąbli eROSITA i Fermiego. Źródło: ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO.
