W lipcu 2024 roku teleskopy XMM-Newton i XRISM zaobserwowały niezwykły wybuch rentgenowski z supermasywnej czarnej dziury w galaktyce NGC 3783. W ciągu godzin rozpędziła ona strumienie materii do 60 000 km/s – jednej piątej prędkości światła.
Czarna dziura o niewyobrażalnej masie
Badana czarna dziura w NGC 3783 ma masę równą 30 milionom Słońc. Mimo że znajduje się 47 milionów lat świetlnych od Ziemi, jej wpływ na otaczającą materię jest niezwykle dynamiczny. Czarna dziura intensywnie pochłania materię z otaczającego dysku akrecyjnego – dysku gorącego gazu spiralnie opadającego w kierunku horyzontu zdarzeń.
Proces ten napędza w jądrze galaktyki region niezwykle jasny i gorący, zwany aktywnym jądrem galaktycznym (AGN – Active Galactic Nucleus). Region ten emituje promieniowanie we wszystkich długościach fali, od fal radiowych po promienie gamma, oraz wyrzuca potężne strumienie i wiatry w kosmos.
AGN-y są fascynującymi i niezwykle intensywnymi miejscami w kosmosie – powiedział Matteo Guainazzi, naukowiec projektowy XRISM z Europejskiej Agencji Kosmicznej. – Są one kluczowymi celami badań zarówno dla XMM-Newtona, jak i dla XRISM.
Błysk rentgenowski jako katalizator
Podczas kampanii obserwacyjnej zespół badawczy, kierowany przez Liyi Gu z Holenderskiej Organizacji Badań Kosmicznych (SRON), zaobserwował energetyczny błysk rentgenowski emitowany przez materię wokół czarnej dziury. To był moment przełomowy – naukowcy przypatrywali się dokładnie, co stanie się w kolejnych godzinach i dniach.
Po błysku miękkich promieni rentgenowskich ultraszybki wiatr pojawił się praktycznie natychmiast. Jego prędkość wyniosła 57 000 kilometrów na sekundę, a cząsteczki były zjonizowane do takiego stopnia, że stanowiły głównie nagą, bardzo gorącą plazmę z jądrami żelaza.
Po raz pierwszy obserwowaliśmy, jak szybki wybuch promieni rentgenowskich bezpośrednio uruchamia ultraszybki wiatr, który formuje się w zaledwie jeden dzień – wyjaśnił Liyi Gu. To jest obserwacja, na którą czekaliśmy przez lata.
Naukowcy odkryli bliskie podobieństwo między zjawiskiem wokół czarnej dziury a zdarzeniami rozgrywającymi się na naszym Słońcu. Wiatr z czarnej dziury przypomina masywne słoneczne wybuchy zwane koronalnymi wyrzutami masy (CME – coronal mass ejection), które okresowo obserwujemy w koronie słonecznej.
W obu przypadkach – na Słońcu i wokół czarnej dziury – odpowiada za to nagłe oderwanie się skomplikowanego pola magnetycznego. Pole magnetyczne w koronie słonecznej splata się i nagle rozpuszcza, uwalniając gigantyczną energię. Na czarnej dziurze proces jest identyczny, tyle że w nieporównywalnie większej skali.
Pola magnetyczne wokół czarnej dziury wydawały się rozpuszczać podobnie jak rozbłyski słoneczne – ale na skalę, którą trudno sobie wyobrazić – powiedział Matteo Guainazzi.
Dokładnie takie wyrzuty koronalne obserwowaliśmy na Słońcu 11 listopada 2024 roku. Jej początkowa prędkość wyniosła 1500 kilometrów na sekundę – zaledwie 2,5 procenta prędkości zjawiska wokół czarnej dziury w NGC 3783.
Znaczenie dla zrozumienia ewolucji galaktyk
Wiatry z jąder aktywnych odgrywają kluczową rolę w ewolucji całych galaktyk. Ich energia może hamować lub całkowicie zatrzymywać formowanie się nowych gwiazd poprzez wyrzucanie gazu z dysku galaktyki.
Wiatry z AGN mają ogromne znaczenie dla tego, jak galaktyki ewoluują w czasie i jak formują się w nich nowe gwiazdy – powiedziała Camille Diez, specjalistka z Europejskiej Agencji Kosmicznej. – Ponieważ procesy te są tak wpływowe, poznanie szczegółów magnetyzmu galaktyk aktywnych i mechanizmów tworzenia takich wiatrów jest kluczowe dla zrozumienia historii Wszechświata.
Wspólne obserwacje dwóch teleskopów
Do sukcesu tej obserwacji przyczyniła się niezwykła współpraca między dwoma instrumentami. XMM-Newton, działający przez ponad ćwierć wieku, mierzy ewolucję błysku za pomocą swojego monitora optycznego i ocenia rozmiar wiatrów za pośrednictwem europejskiej kamery obrazowania fotonów (EPIC).
XRISM, nowy teleskop wystrzelony przez Japońską Agencję Eksploracji Kosmicznej w wrześniu 2023 roku, posiada niezwykłą zdolność do obserwacji zjawisk rentgenowskich w nowej wysokiej rozdzielczości. Jego instrument Resolve umożliwia dokładne pomiary prędkości i struktury wiatrów dzięki zdolności rozdzielenia linii spektralnych z dokładnością do 4,5 eV energii.
Ta obserwacja wynika z udanej współpracy, która jest fundamentem wszystkich projektów Europejskiej Agencji Kosmicznej – podkreślił Erik Kuulkers, naukowiec projektowy XMM-Newtona w ESA. – Skupiając się na supermasywnej czarnej dziurze, dwa teleskopy odkryły coś, czego nigdy wcześniej nie zaobserwowaliśmy: ultraszybkie wiatry uruchamiane błyskami, przypominające te, które formują się na Słońcu.
Przyszłość badań wiatrów galaktycznych
Odkrycie to sugeruje, że procesy fizyczne zachodzące na Słońcu mogą działać w znany nam sposób wszędzie we Wszechświecie – od naszej dziennej gwiazdy po jądra czarnych dziur miliony razy masywniejszych od Słońca.
Badania aktywnych jąder takimi narzędziami jak XRISM i planowana w przyszłości misja NewAthena będą kluczowe dla lepszego zrozumienia, jak wiatry galaktyczne wpływają na ewolucję Wszechświata i formowanie się gwiazd na największych skalach.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło: ESA
Na ilustracji: Wizja artystyczna czarnej dziury z rozbłyskami i wiatrami w NGC 3783. Źródło: ESA. Podziękowania: ATG Europe
