Fuzje galaktyk dostarczają paliwa, lecz czarne dziury nie zawsze z niego korzystają. Nowe obserwacje ALMA pokazują, że obiekty te bywają zaskakująco wybredne w konsumpcji materii.
Współczesna astrofizyka postrzega zderzenia galaktyk jako kluczowy mechanizm ewolucji Wszechświata. Powszechnie przyjmuje się, że gdy dwa masywne, bogate w gaz układy gwiazdowe zlewają się ze sobą, siły grawitacyjne – w tym momenty obrotowe generowane przez asymetrię rozkładu masy – skutecznie kierują olbrzymie ilości zimnego gazu molekularnego ku centrom obu galaktyk. Tam rezydują supermasywne czarne dziury. Teoretycznie tak obfita dostawa paliwa powinna inicjować gwałtowny wzrost aktywnych jąder galaktycznych (AGN), czyniąc je jednymi z najjaśniejszych obiektów w kosmosie.
Jednak rzeczywistość obserwacyjna okazuje się bardziej złożona. Międzynarodowy zespół astronomów pod kierunkiem Makoto A. Johnstone’a z Uniwersytetu Wirginii, wykorzystując niezwykłą czułość sieci radioteleskopów ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), przyjrzał się siedmiu pobliskim układom w zaawansowanym stadium fuzji. W badanych przypadkach supermasywne czarne dziury dzielił dystans zaledwie kilku tysięcy lat świetlnych (poniżej 10 kiloparseków), co sugeruje, że proces łączenia jest bliski finału.
Zagadką, która od dawna nurtowała badaczy, był brak powszechności występowania tzw. podwójnych aktywnych jąder galaktycznych. Często zdarza się, że w łączącym się układzie tylko jedna czarna dziura wykazuje aktywność akrecyjną, a bywa, że obie pozostają uśpione. Dzięki wysokiej rozdzielczości ALMA naukowcy zdołali zajrzeć w głąb tych zapylonych środowisk, ujawniając gęste i chaotyczne nagromadzenia obłoków gazu molekularnego w bezpośrednim sąsiedztwie czarnych dziur. Potwierdza to, że mechanizm transportu materii do centrum działa sprawnie.
Problem leży jednak w samej konsumpcji. Badania wykazały brak korelacji między jasnością czarnych dziur (wskaźnikiem tempa akrecji) a ilością dostępnego w ich otoczeniu gazu. Mimo że wokół znajduje się kosmiczny bufet, wiele supermasywnych czarnych dziur zachowuje się tak, jakby były na diecie – podjadają materię powoli, zamiast pochłaniać ją w tempie, jakie sugerowałyby modele teoretyczne. Wskazuje to na istotną nieefektywność procesu wzrostu supermasywnych czarnych dziur podczas fuzji.
Nieefektywność obserwowanego wzrostu supermasywnych czarnych dziur, nawet w obecności gęstych rezerwuarów gazu molekularnego, rodzi pytania o warunki fizyczne niezbędne do zainicjowania tych epizodów – powiedział Makoto Johnstone. Autorzy pracy sugerują, że kluczem do zrozumienia tego fenomenu jest natura samej aktywności. Prawdopodobnie nie jest ona procesem ciągłym, lecz wysoce zmiennym, epizodycznym zjawiskiem, przypominającym migotanie. To tłumaczyłoby trudności w uchwyceniu momentu, w którym obie czarne dziury są aktywne jednocześnie.
Analiza porównawcza układów z pojedynczym i podwójnym AGN ujawniła jeszcze jeden ciekawy aspekt. W niektórych przypadkach uśpiona czarna dziura faktycznie cierpiała na brak gazu. W innych jednak paliwo było obecne, ale obiekt nie wykazywał aktywności – być może obserwowano go w przerwie między kolejnymi posiłkami. Ezequiel Treister, współautor badania, podkreślił, że obserwacje te rzucają nowe światło na związek między wzrostem czarnych dziur a ewolucją samych galaktyk, co było możliwe tylko dzięki unikalnym możliwościom interferometru ALMA.
Co więcej, dane z ALMA pokazały, że aktywne czarne dziury są często nieco przesunięte względem centrów swoich rotujących dysków gazowych. Sugeruje to występowanie gwałtownych oddziaływań dynamicznych, które mogą wyrzucać czarną dziurę z obszaru o największej gęstości paliwa. Wyniki te prowadzą do konkluzji, że sama dostępność energii w zderzeniu galaktyk to tylko połowa sukcesu. O tym, czy czarne dziury rozbłysną, decydują ostatecznie lokalne warunki: turbulencje gazu, obecność pyłu, precyzyjne zgranie w czasie oraz dynamika orbitalna samych jąder.
Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Super Massive Black Holes May Be Picky Eaters
- Molecular Gas in Major Mergers Hosting Dual and Single AGNs at <10 kpc Nuclear Separations
Źródło: ALMA Observatory
Na ilustracji: Obraz gazu molekularnego z ALMA o wysokiej rozdzielczości, śledzony emisją z cząsteczki tlenku węgla, dla czterech łączących się galaktyk z dwoma aktywnymi jądrami galaktyk. Wyraźnie widać duże, skoncentrowane rezerwuary gazu molekularnego. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/ M. Johnstone i in. / CATA / J. Utreras
