Przejdź do treści

Astronomowie używają kosmicznej echolokacji do mapowania otoczenia czarnej dziury

img

Materia wpadająca do czarnej dziury emituje w przestrzeń kosmiczną promieniowanie X. Teraz astronomowie wykorzystali echa tego promieniowania do mapowania dynamicznego zachowania i otoczenia samej czarnej dziury.

Większość czarnych dziur ma pozornie zbyt małe rozmiary na niebie, abyśmy mogli określić ich bezpośrednie otoczenie, ale nadal możemy badać te tajemnicze obiekty, obserwując, jak zachowuje się materia, gdy się zbliża i wpada do niej.

Gdy materia opada po spirali do czarnej dziury, jest ona podgrzewana i emituje promieniowanie X, które z kolei odbija się echem, gdy oddziałuje z pobliskim gazem. Te obszary kosmosu są bardzo zniekształcone i wypaczone ze względu na ekstremalną naturę i miażdżąco silną grawitację czarnej dziury.

Obecnie naukowcy wykorzystali obserwatorium rentgenowskie XMM-Newton do śledzenia ech świetlnych i mapowania otoczenia czarnej dziury w jądrze aktywnej galaktyki.

Galaktyka macierzysta czarnej dziury nosząca nazwę IRAS 13224–3809 jest jednym z najbardziej zmiennych źródeł promieniowania rentgenowskiego na niebie, podlegając bardzo dużym i szybkim wahaniom jasności rzędu 50 w ciągu zaledwie kilku godzin.

Echo głosu człowieka jest różne w różnej wielkości i kształcie pomieszczenia. W podobny sposób możemy obserwować, jak echa promieniowania rentgenowskiego rozprzestrzeniają się w pobliżu czarnej dziury, aby odwzorować geometrię regionu i stan skupienia materii, zanim zniknie ona w osobliwości. To taka kosmiczna echolokacja.

Ponieważ dynamika opadającego gazu jest silnie związana z właściwościami konsumpcyjnymi czarnej dziury, naukowcy również byli w stanie określić masę i rotację centralnej czarnej dziury galaktyki, obserwując właściwości materii opadającej po spirali do jej wnętrza.

Materia wpadająca do czarnej dziury tworzy dysk. Pod tym dyskiem leży obszar gorących elektronów – o temperaturze ok. 1 mld stopni – zwany koroną. Chociaż naukowcy oczekiwali, że zaobserwują echa pogłosu, którego używali do mapowania geometrii regionu, zauważyli również coś nieoczekiwanego: sama korona szybko zmieniła swój rozmiar w ciągu kilku dni.

Wraz ze zmianą wielkości korony zmienia się echo światła. Śledząc świetlne echa, naukowcy byli w stanie śledzić zmieniającą się koronę i uzyskać jeszcze lepsze wartości dotyczące masy i rotacji czarnej dziury, niż mogliby ustalić, gdyby korona nie zmieniła rozmiaru. Wiadomo, że masa czarnej dziury nie może się wahać, więc wszelkie zmiany echa muszą dotyczyć gazowego środowiska.

W badaniu wykorzystano najdłuższą obserwację akreującej czarnej dziury, jaką kiedykolwiek wykryto za pomocą XMM-Newton, zebraną w latach 2011 i 2016 i trwającą nieco ponad 23 dni. To, w połączeniu z silną i krótkotrwałą zmiennością samej czarnej dziury, pozwoliło naukowcom kompleksowo modelować echa w przedziałach czasowych równych jednej dobie.

Region eksplorowany w tym badaniu nie jest dostępny dla takich obserwatoriów jak Event Horizon Telescope, przy pomocy którego udało się uzyskać pierwsze w historii zdjęcie gazu w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury – tej znajdującej się w centrum pobliskiej galaktyki M87. Wynik, oparty na obserwacjach wykonanych radioteleskopami na całym świecie w 2017 r. i ogłoszony w ubiegłym roku stał się światową sensacją.

Scharakteryzowanie środowiska ściśle otaczającego czarne dziury jest podstawowym celem naukowym misji ESA Athena, która ma się rozpocząć na początku lat 30.

Pomiar masy, prędkości rotacji i akrecji dużej próbki czarnych dziur jest kluczem do zrozumienia grawitacji w całym kosmosie. Ponadto, ponieważ supermasywne czarne dziury są silnie powiązane z właściwościami swoich macierzystych galaktyk, badania te są również kluczowe dla pogłębienia naszej wiedzy o tym, jak galaktyki tworzą się i ewoluują w czasie.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Astronomers use ‘cosmic echo-location’ to map black hole surroundings

A dynamic black hole corona in an active galaxy through X-ray reverberation mapping

Źródło: University of Cambridge

Na zdjęciu: Wizja artystyczna otoczenia czarnej dziury. Źródło: European Space Agency