Przejdź do treści

Teleskop Hubble’a odkrywa czarną dziurę… która nie powinna istnieć

Galaktyka NGC 3147

Jak gdyby czarne dziury nie były już wystarczająco tajemnicze! Naukowcy korzystający z Kosmicznego Teleskopu Hubble'a znaleźli właśnie nieoczekiwanie cienki dysk akrecyjny szybko wirujący wokół supermasywnej czarnej dziury w sercu galaktyki spiralnej NGC 3147 znajdującej się 130 milionów lat świetlnych stąd.

Zaskakujące jest przede wszystkim to, że dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury w ogóle nie powinno tam być - tyle wiemy w oparciu o aktualnie uznawane teorie. Tym niemniej nieoczekiwana obecność dysku tak blisko mało aktywnej czarnej dziury daje nam wyjątkową okazję do przetestowania teorii względności Alberta Einsteina. Zarówno ogólnej teorii względności (OTW) opisującej grawitację jako krzywiznę przestrzeni, jak i szczególnej teorii względności (STW), która szczegółowo przedstawia związki pomiędzy czasem i przestrzenią.

Naukowcy nigdy dotąd nie mieli okazji zobaczenia efektów obu tych teorii w zakresie widzialnym, z tak dużą jasnością i dokładnością. - To intrygujący widok na dysk akrecyjny wirujący bardzo blisko czarnej dziury - tak blisko, że obowiązujące tam prędkości i siła przyciągania grawitacyjnego wpływają na wygląd fotonów światła - podsumowuje główny autor nowo opublikowanej pracy, Stefano Bianchi z Universita degli Studi Roma Tre w Rzymie. - Nie jesteśmy w stanie zrozumieć tych danych, dopóki nie uwzględnimy teorii względności.

Czarne dziury obecne w niektórych typach galaktyk (takich jak właśnie NGC 3147) są często niedożywione, ponieważ w ich bliskości nie ma wystarczającej ilości schwytanego grawitacyjnie materiału, który miałby je regularnie zasilać nową materią. W takich przypadkach cienka mgiełka opadającego na nie materiału galaktycznego raczej rozrasta się wokół czarnej dziury niczym donut (“oponiasty” pączek z dziurką), a nie spłaszcza do postaci znanego nam dobrze, płaskiego dysku akrecyjnego.  Naukowców bardzo zastanawia więc, jak to możliwe, że taką wygłodzoną dziurę w NGC 3147 otacza cienki i płaski niczym naleśnik dysk, zdający się naśladować znacznie potężniejsze dyski wykrywane w wysoce aktywnych galaktykach z największymi możliwymi czarnymi dziurami.

Co więcej - naukowcy z początku próbowali potraktować tę konkretną galaktykę jako dobry dowód na to, że poniżej pewnych jasności galaktyk i AGN-ów dysk akrecyjny już wokół czarnej dziury nie występuje. Wynik obserwacji - wyraźnie temu przeczący - był zatem czymś zupełnie nieoczekiwanym. Modele przewidują, że dysk akrecyjny powstaje, gdy duże ilości gazu są regularnie ściągane i więzione przez silne przyciąganie grawitacyjne czarnej dziury. Ta opadająca na nią wówczas materia emituje dużo światła, tworząc bardzo jasny obiekt zwany kwazarem. Natomiast jeśli na czarną dziurę opada znacznie mniejsza ilość materiału, powstały wcześniej dysk akrecyjny zaczyna się załamywać, staje się słabszy i zmienia swą strukturę.

Dysk, jaki widnieje wokół centrum NGC 3147, jest jak gdyby zmniejszonym kwazarem, którego istnienia nikt się nie spodziewał. To ten sam typ dysku, który widzimy w obiektach 1000, a nawet 100 000 razy jaśniejszych. Przewidywania teoretyczne obecnych modeli dynamiki gazu w bardzo słabych aktywnych galaktykach wyraźnie więc w tym przypadku zawodzą.

Ale jest i lepsza wiadomość - ten dysk jest tak głęboko osadzony w silnym polu grawitacyjnym czarnej dziury, że jego dochodzącego do nas światło jest wyraźnie zmienione zgodnie z teorią względności Einsteina, dając astronomom unikalną szansę na przyjrzenie się procesom zachodzącym w pobliżu czarnej dziury. Oszacowano, że wpadająca tam materia porusza się z prędkościami większymi niż 10% prędkości światła. Przy tak ekstremalnych prędkościach gaz wydaje się rozjaśniać, gdy przemieszcza się w kierunku Ziemi, a jego jasność słabnie, gdy “ucieka” on od nas, poruszając się w stronę przeciwną (jest to efekt zwany promieniem relatywistycznym). Obserwacje z Teleskopu Hubble'a pokazują również, że gaz jest tam tak mocno osadzony w studni grawitacyjnej, że światło z dużym trudem usiłuje się z tego obszaru wydostać, na skutek czego wydaje się nam ono rozciągnięte do postaci najdłuższych, mniej energetycznych, “osłabionych” przez to silne przyciąganie fal o barwie czerwonej.

SBH

Źródło: STSI

Dodajmy jeszcze na koniec, że masa obserwowanej czarnej dziury wynosi około 250 milionów mas Słońca.

Naukowcy wykorzystali w tych badaniach spektrograf zainstalowany na Teleskopie Hubble'a  - STIS. Posłużył on do obserwacji materii wirującej głęboko w dysku galaktyki. Spektrograf to narzędzie, które dzieli światło danego obiektu na wiele indywidualnych długości fal i dzięki temu pozwala na określenie jego prędkości, temperatury i innych charakterystyk - z bardzo dużą precyzją. Astronomowie potrzebowali wysokiej rozdzielczości STIS, aby wyizolować słabe światło z obszaru samej czarnej dziury i jednocześnie zablokować “zanieczyszczające” takie obserwacje światło pobliskich gwiazd. Zespół planuje teraz wykorzystać Teleskop Hubble'a do polowania na inne bardzo kompaktowe dyski wirujące wokół czarnych dziur o niskich jasnościach, położone w galaktykach o podobnym stopniu aktywności.

Artykuł zespołu złożonego głównie z naukowców z Włoch i USA został opublikowany w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

 

Czytaj więcej:


Źródło: Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

Na zdjęciu:  NGC 3147 (HST). Źródło: Judy Schmidt