Czarne dziury zwykle są opisywane jako kosmiczne potwory, które rozrywają gwiazdy, pochłaniają wszystko, co zbliży się za bardzo i zatrzymują światło pod horyzontem zdarzeń. Jednak Kosmicznym Teleskopem Hubble’a uzyskano przekonujące dowody, które prezentują czarne dziury w nowym świetle – inicjują powstawanie nowych gromad gwiazdowych. Na zdjęciach i widmach galaktyki karłowatej Henize 2-10 wyraźnie widać wypływ materii, który niczym pępowina, łączy czarną dziurę z jasnym obszarem gwiazdotwórczym, zmieniając gęste obłoki gazowe w rodzące się gromady gwiazdowe.
Galaktyka karłowata Henize 2-10 znajduje się w odległości około 30 milionów lat świetlnych w konstelacji Kompasu na południowej półkuli nieba. Około 10 lat temu ta galaktyka wywołała dyskusję w świecie astronomów (szczegóły: [1], [2], [3]), czy w galaktykach karłowatych rezydują czarne dziury o masach proporcjonalnie mniejszych niż w supermasywnych czarnych dziurach, które znajduje się w centralnych obszarach większych galaktyk.
Jako absolwent 10 lat temu uważałem, że mógłbym poświęcić całą moją karierę na badania narodzin gwiazd. Jednak spojrzałem na dane Henize 2-10 i wszystko się zmieniło – powiedział Amy Reines, który w 2011 roku opublikował pierwsze dowody na istnienie czarnej dziury w galaktyce karłowatej Henize 2-10. Jest on również kierownikiem zespołu astronomów, który właśnie opublikował w prestiżowym Nature analizę najnowszych obserwacji Henize 2-10 z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a.
Od początku wiedziałem, że coś niezwykłego i wyjątkowego dzieje się w Henize 2-10, a teraz Hubble dostarczył bardzo wyraźny obraz połączenia pomiędzy czarną dziurą i sąsiadującym obszarem powstawania gwiazd, znajdujących w odległości 230 lat świetlnych od czarnej dziury – powiedział Reines.
Na zdjęciu: powiększony fragment centralnego obszaru galaktyki karłowatej Henize 2-10 prezentuje ślady wypływu (ang. outflow) materii. Jest to swego rodzaju most o długości około 230 lat świetlnych składający się z gorącego gazu, który łączy masywną czarną dziurę o masie ~1 000 000 Mʘ z obszarem powstawania gwiazd. Uzyskane z Hubble’a prędkości wypływu z czarnej dziury oraz wiek młodych gwiazd wskazują na związek przyczynowo-skutkowy pomiędzy tymi strukturami. Kilka milionów lat temu, strumień gorącego gazu zderzył się z gęstym obłokiem i go rozpłaszczył – niczym woda z węża ogrodowego zderzająca się z kupką ziemi. Obecnie gromady młodych gwiazd są rozłożone prostopadle do kierunku tego wypływu. Źródło: NASA, ESA, Zachary Schutte (XGI), Amy Reines (XGI), Alyssa Pagan (STScI).
To połączenie jest wypływem gazu rozciągającym się w przestrzeni niczym pępowina do widocznego żłobka gwiezdnego. W tym obszarze już znajdował się gęsty kokon gazowy, gdy zderzył się z wypływem materii o małej prędkości. Dzięki widmom Henize 2-10 uzyskanym przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a astronomowie oszacowali, że wypływ poruszał się z prędkością około 1,6 miliona km/godz. (~450 km/sek), gdy zderzył się z gęstym gazem – podobnie jak woda z węża ogrodowego, która uderza w kupkę ziemi i ją rozrzuca. Nowe gromady gwiazdowe z młodymi gwiazdami znaczą ścieżkę tego procesu. Dane z Hubble’a pozwoliły również wyznaczyć wiek tych gromad.
Jest to zjawisko odwrotne do tego, co obserwujemy w większych galaktykach, gdzie materia opadająca na czarną dziurę jest szybko zabierana przez otaczające pole magnetyczne i powstaje ekstremalny dżet plazmowy, który rozpędza zjonizowaną materię do prędkości bliskiej prędkości światła. Obłoki gazowe „trafione” przez taki relatywistyczny dżet są rozgrzewane poza zakres temperatur, gdy po schłodzeniu jeszcze będą w stanie uformować gwiazdy. Natomiast wolniejsze wypływy materii z mniej masywnej czarnej dziury w Henize 2-10 wystarczająco zagęszczają gaz, aby przyspieszyć proces powstawania gwiazd.
Przy odległości zaledwie 30 milionów lat świetlnych, Henize 2-10 jest wystarczająco bliska, aby Kosmiczny Teleskop Hubble’a był w stanie bardzo wyraźnie zarejestrować zarówno dowody fotograficzne, jak i spektroskopowe wypływu materii z czarnej dziury. Dodatkową niespodzianką jest to, że raczej zamiast blokowania procesu powstawania gwiazd, ten wypływ uruchomił mechanizm formowania się nowych gwiazd – powiedział główny autor publikacji, a zarazem student Amy Reines Zachary Schutte.
Na zdjęciu: gwiazdotwórcza galaktyka karłowata Henize 2-10 z oznaczeniami. Źródło: NASA, ESA, Zachary Schutte (XGI), Amy Reines (XGI), Alyssa Pagan (STScI).
Od odkrycia w Henize 2-10 wyraźnych emisji w zakresie promieniowania radiowego i rentgenowskiego (szczegóły: [1], [2], [3]), Reines uważał, że najprawdopodobniej pochodzą one od masywnej czarnej dziury, ale nie od supermasywnej – jak obserwuje się w większych galaktykach. Inni astronomowie uważali, że bardziej prawdopodobne wydaje się pochodzenie tego promieniowania z pozostałości po wybuchu supernowej.
Dzięki niezwykłej rozdzielczości Hubble’a, wyraźnie widać spiralną strukturę prędkości gazu, którą możemy dopasować do modelu wypływu z czarnej dziury z precesją lub drganiami. Pozostałości po wybuchu supernowej nie mają takiej struktury, więc faktycznie jest to dowód rozstrzygający, że jest to czarna dziura – powiedział Reines.
Reines oczekuje większej liczby badań naukowych ukierunkowanych na czarne dziury w galaktykach karłowatych, które mogą dostarczyć wskazówek do wyjaśnienia tego, jak powstały supermasywne czarne dziury we wczesnym Wszechświecie. Dla astronomów jest to nierozwiązana zagadka. Takie wskazówki może zapewnić relacja pomiędzy masą galaktyki a rezydującą w niej czarną dziurą. Czarna dziura w Henize 2-10 posiada masę ~1 000 000 Mʘ. W większych galaktykach czarne dziury mogą osiągać masy rzędu miliardów mas Słońca. Im bardziej masywna jest galaktyka macierzysta, tym bardziej masywna czarna dziura rezyduje w jej centrum.
Współczesne teorie pochodzenia supermasywnych czarnych dziur dzieli się na następujące trzy kategorie:
(1) Powstały one jak zwykłe gwiazdowe czarne dziury, podczas kolapsu jądra gwiazdy masywnej i w jakiś sposób zebrały wystarczającą ilość materii, aby stać się supermasywnymi.
(2) Istniały specjalne warunki we wczesnym Wszechświecie, które pozwoliły na powstanie supermasywnych gwiazd, które zapadły się i od razu powstały „nasiona”/„zalążki” masywnych czarnych dziur.
(3) Nasiona przyszłych supermasywnych czarnych dziur powstały w gęstych gromadach gwiazdowych, w których całkowita masa gromady była wystarczająca, aby w jakiś sposób one powstały w wyniku kolapsu grawitacyjnego.
Na razie żadna z teorii powstawania nasion tych czarnych dziur nie jest wiodąca. Galaktyki karłowate takie jak Henize 2-10 dostarczają potencjalnie obiecujące wskazówki, ponieważ raczej przez cały czas pozostają małe, niż rosną i łączą się w większe galaktyki, jak nasza Droga Mleczna. Astronomowie uważają, że czarne dziury w galaktykach karłowatych są odpowiednikami czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, gdy właśnie zaczynały się tworzyć i rosnąć.
Epoka pierwszych czarnych dziur nie jest możliwa do zobaczenia, więc zostało sformułowane ważne pytanie – skąd one pochodzą? Galaktyki karłowate mogą zachować pewne ślady scenariusza powstania nasion tych czarnych dziur, które w przeciwnym razie są stracone dla czasu i przestrzeni – powiedział Reines.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
Publikacja naukowa w Nature (dostęp zamknięty): Black-hole-triggered star formation in the dwarf galaxy Henize 2-10
Wersja ogólnodostępna publikacji naukowej na portalu STScI: Black-hole-triggered star formation in the dwarf galaxy Henize 2-10
Film na YouTube: Hubble finds a Black Hole Igniting Star Formation in a Dwarf Galaxy
Hubble Finds a Black Hole Igniting Star Formation in a Dwarf Galaxy
Podobny temat na portalu Urania: „Mała” supermasywna czarna dziura może zawierać wskazówki dotyczące tego, jak te olbrzymy powstają
Źródło: STScI
Na ilustracji: zdjęcie zrobione przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a w zakresie optycznym galaktyki karłowatej Henize 2-10 mieniącej się młodymi gwiazdami. Jasny obszar w centrum otoczony przez różowe obłoki i pasy ciemnego pyłu wskazują na położenie masywnej czarnej dziury i aktywnych obszarów tworzenia się gwiazd. Źródło: NASA, ESA, Zachary Schutte (XGI), Amy Reines (XGI), Alyssa Pagan (STScI).
