Podwójne linie emisyjne w centrach galaktyk nie zawsze są sygnałem dwóch czarnych dziur — często zdradzają obecność innych, zaskakujących struktur.
Zespół badawczy z Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego (SHAO) Chińskiej Akademii Nauk odkrył pochodzenie charakterystycznych wąskich linii emisyjnych o podwójnym szczycie w centrach galaktyk. Wykorzystując dane z projektu Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) w ramach przeglądu Sloan Digital Sky Survey (SDSS), naukowcy odkryli, że te linie emisyjne są nie tylko związane z podwójnymi czarnymi dziurami, ale mogą również wynikać z mechanizmów takich jak szybko rotujące dyski gazowe i wypływy z aktywnych jąder galaktycznych (AGN).
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie The Astrophysical Journal.
Analiza statystyczna zespołu z 2024 roku wykazała, że linie o podwójnych szczytach są powiązane z galaktycznymi poprzeczkami, aktywnymi jądrami galaktyk (AGN) i interakcjami, przy czym zjawiska związane z poprzeczkami są najczęstsze. Zespół ujawnił również, że pierścienie jądrowe w galaktykach spiralnych z poprzeczkami mogą prowadzić do powstania symetrycznych struktur o podwójnym szczycie w 2025 roku. To osiągnięcie pogłębia wiedzę na temat struktur centrum galaktyki i dostarcza ważnych informacji dla poszukiwań podwójnych czarnych dziur.
Astronomowie obserwowali aktywne galaktyki pod koniec XX wieku w centrach galaktyk i zauważyli osobliwe linie emisyjne zjonizowanego gazu w widmach niektórych obiektów, co natychmiast wzbudziło zainteresowanie astronomów. Spekulowali, że linia emisyjna o podwójnym wierzchołku powstała w wyniku rekombinacji dwóch aktywnych galaktyk krążących wokół siebie. W teorii formowania się i ewolucji galaktyk, procesy łączenia się galaktyk są tak istotnymi kanałami ich wzrostu. Gdy centralne czarne dziury dwóch galaktyk znajdują się bardzo blisko siebie, ale się nie łączą, obszary wąskich linii oświetlone przez dyski akreacyjne aktywnych galaktyk mogą tworzyć dwie oddzielne wąskie linie emisyjne.
Jednak ze względu na bliskie sąsiedztwo obu czarnych dziur, rozdzielczość przestrzenna teleskopów naziemnych jest zazwyczaj niewystarczająca, aby bezpośrednio je rozróżnić w obrazowaniu. Dlatego też struktury o podwójnym wierzchołku w galaktykach były kiedyś uważane za najbardziej obiecujące narzędzie do pośredniego poszukiwania podwójnych czarnych dziur w jądrach galaktyk.
Dziesięciolecia badań wykazały, że charakterystyka wąskich linii emisyjnych o podwójnym szczycie w jądrach galaktyk jest powszechna, a mechanizm ich powstawania wykracza daleko poza rotację dwóch AGN. Szybko wirujący dysk gazowy i wypływy gazu spowodowane przez aktywne galaktyki mogą powodować powstawanie struktur o podwójnym szczycie. W ostatnich latach, wraz z rozwojem nowych instrumentów i technologii astronomicznych, technologia zintegrowanej spektroskopii pola (IFS) oparta na zintegrowanym spektrometrze pola odegrała bardzo ważną rolę w badaniu wąskich linii emisyjnych o podwójnym szczycie. Ze względu na fakt, że IFS dostarcza również informacje spektralne o galaktykach rozdzielone przestrzennie, astronomowie mogą badać pochodzenie cech charakterystycznych dla galaktyk o podwójnym piku, porównując zmiany ich właściwości w różnych pozycjach.
W 2019 roku połączone zespoły z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego i Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego (CAS) po raz pierwszy wywnioskowały, że jej fizycznym źródłem był szybko wirujący dysk gazowy. Następnie wiele indywidualnych przypadków innych galaktyk doprowadziło do różnych wniosków, w tym różnych mechanizmów powstawania, takich jak wypływy AGN i efekty projekcji związane z interakcjami. W 2024 roku naukowcy z Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego odkryli, że w lokalnym Wszechświecie struktury o podwójnych szczytach w galaktykach są związane z poprzeczkami, aktywnymi jądrami galaktyk i interakcjami galaktyk, a te struktury związane z poprzeczkami mają najwyższe prawdopodobieństwo statystyczne.
W 2025 roku, wykorzystując dane MaNGA w oparciu o prosty model dysku rotacyjnego galaktyki, naukowcy z Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego zaproponowali możliwość wystąpienia symetrycznej, wąskiej linii emisyjnej o podwójnym szczycie w centrum galaktyki, spowodowanej pierścieniem jądrowym. Pierścień jądrowy w galaktyce spiralnej z poprzeczką dokładnie spełnia ten warunek: gaz napływający pod wpływem poprzeczki gromadzi się w pierścieniu przy wewnętrznym rezonansie Lindblada, tworząc jasny i wąski obszar promieniowania o silnych promieniach, podczas gdy znajduje się on w obszarze o stromych zmianach krzywej rotacji. Skala pierścienia jądrowego w kosmosie jest bardzo mała (nierozróżnialna ze względu na efekt PSF), ale jego prędkość obrotowa jest bardzo zmienna. Dlatego w pikselu rozmytym przez PSF, wkłady zarówno ze strony widocznej (gaz o dużej prędkości z przesunięciem ku fioletowi), jak i odległej (gaz o dużej prędkości z przesunięciem ku czerwieni) pierścienia mieszają się, tworząc symetryczny profil z podwójnym szczytem.
Ponadto ruch wirowy pierścienia jądrowego jest uporządkowany i systematyczny, co bezpośrednio przekłada się na ogólną symetrię zmienności przestrzennej powstałych w ten sposób charakterystyk linii emisyjnej o podwójnym szczycie.
Niniejsza praca dostarcza mocnych dowodów obserwacyjnych na istnienie wąskich linii emisyjnych o podwójnym szczycie ≠ podwójnych czarnych dziur, pogłębiając naszą wiedzę na temat centralnej struktury galaktyk i pokazując, jak efekty instrumentalne wpływają na odkrycia naukowe. Poszukując nieuchwytnych podwójnych czarnych dziur, konieczne jest staranne eliminowanie sygnałów fałszywie pozytywnych generowanych przez struktury takie jak pierścienie jądrowe.
Naukowcy zauważyli, że w przyszłych poszukiwaniach konieczne będzie wykorzystanie obserwacji o wyższej rozdzielczości przestrzennej lub łączenie informacji wielopasmowych, takich jak promieniowanie rentgenowskie, aby sprawdzić, czy istnieją dwa źródła punktowe, które można potwierdzić.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Researchers Unveil New Origins of Double-Peaked Emission Lines in Galactic Centers
- SDSS-IV MaNGA: Physical Origins of Double-peaked Narrow Emission-line Spaxels in Barred Galaxies
Źródło: Chińska Akademia Nauk
Na ilustracji: Symulacja pełnego pasma światła emitowanego przez układ podwójnej supermasywnej czarnej dziury w przezroczystym ośrodku, obserwowanego bezpośrednio nad dyskiem galaktycznym. Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA/Scott Noble; dane symulacyjne
