Naukowcy odkryli skomplikowany taniec przepływu gazu wokół supermasywnej czarnej dziury w galaktyce Cyrkla. Przepływ ten jest napędzany przez „niestabilność grawitacyjną”, a część gazu jest wyrzucana, aby potem wracać cyklicznie w kierunku czarnej dziury. To ważne odkrycie wprowadza nas w bardziej szczegółowe zrozumienie wzrostu supermasywnych czarnych dziur.
W jądrach wielu masywnych galaktyk można znaleźć supermasywne czarne dziury, których masa przekracza milion razy masę Słońca. Jak powstają te supermasywne czarne dziury? Jednym z kluczowych mechanizmów wzrostu, sugerowanych przez wcześniejsze badania, jest akrecja gazu na czarną dziurę. Chodzi o sposób, w jaki gaz w galaktyce macierzystej opada w kierunku centralnej czarnej dziury.
Gaz, który zbiera się w pobliżu supermasywnych czarnych dziur, jest przyspieszany przez grawitację czarnej dziury, osiągając duże prędkości. W wyniku intensywnego tarcia między cząstkami gazu, ten gaz nagrzewa się do kilku milionów stopni i emituje jasne światło. Zjawisko to jest znane jako aktywne jądro galaktyki (AGN), a jego jasność czasami może przekraczać łączne światło wszystkich gwiazd w galaktyce. Co ciekawe, uważa się, że część gazu opadającego w kierunku czarnej dziury, jest zdmuchiwana przez ogromną energię tego aktywnego jądra galaktycznego, co prowadzi do wypływów.
Zarówno badania teoretyczne, jak i obserwacyjne dostarczyły szczegółowego wglądu w mechanizmy akrecji gazu od galaktyki na skalę 100 000 lat świetlnych aż do kilkuset lat w centrum. Jednak akrecja gazu w znacznie mniejszym obszarze, zwłaszcza w odległości kilkudziesięciu lat świetlnych od centrum galaktyki, nadal pozostaje niejasna z powodu minimalnej skali przestrzennej. Aby lepiej zrozumieć wzrost czarnej dziury, istotne jest zmierzenie szybkości przepływu akrecji, czyli ilości gazu, który napływa, oraz określenie rodzaju i ilości gazów (plazma, gaz atomowy, gaz molekularny), które są wydalane jako wypływy na tej małej skali. Niestety, dotychczasowe obserwacje w tym obszarze nie przyniosły znaczącego postępu.
Międzynarodowy zespół badawczy pod przewodnictwem Takumy Izumi z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii osiągnął historyczny sukces, dokonując ilościowych pomiarów przepływu i struktury gazów we wszystkich fazach (plazmowej, atomowej i molekularnej) w niewielkiej skali przestrzennej wokół supermasywnej czarnej dziury. Wykorzystano do tego celu Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Badania gazów wielofazowych pozwalają na bardziej kompleksowe zrozumienie rozmieszczenia i dynamiki materii wokół czarnej dziury. Obiekt obserwacji to galaktyka Cyrkla, reprezentatywne aktywne jądro galaktyczne w naszym pobliskim Wszechświecie. Osiągnięta rozdzielczość wyniosła około jednego roku świetlnego, co stanowi najwyższą rozdzielczość osiągniętą w obserwacjach gazu wielofazowego w aktywnym jądrze galaktycznym.
W ramach tego badania po raz pierwszy udało się naukowcom zarejestrować przepływ akrecyjny zmierzający w kierunku supermasywnej czarnej dziury, która znajduje się w dysku gazowym o dużej gęstości. Dysk ten rozciąga się na kilka lat świetlnych od centrum galaktyki. Identyfikacja tego przepływu akrecyjnego stanowiła długotrwałe wyzwanie ze względu na niewielką skalę regionu oraz skomplikowane ruchy gazu w pobliżu centrum galaktyki. Jednak w tym przypadku badacze byli w stanie wskazać miejsce, w którym gaz molekularny na pierwszym planie pochłania światło pochodzące od jasno świecącego aktywnego jądra galaktycznego. Udało się to dzięki obserwacjom o wysokiej rozdzielczości przy użyciu ALMA. Szczegółowa analiza wykazała, że ta materia pochłaniająca porusza się w kierunku od nas. Ponieważ materia absorbująca zawsze znajduje się między aktywnym jądrem galaktyki a nami, zespół badawczy z powodzeniem uchwycił przepływ akrecyjny w kierunku AGN.
Dodatkowo, zespół naukowców zdołał wyjaśnić również mechanizm fizyczny, który odpowiada za wywołanie akrecji gazu. Zaobserwowany dysk gazowy charakteryzował się grawitacyjną siłą tak potężną, że nie mogła być utrzymana przez ciśnienie obliczone na podstawie ruchu samego dysku gazowego. W takiej sytuacji dysk gazowy zapada się pod własnym ciężarem, tworząc złożone struktury i tracąc zdolność do utrzymania stabilnego ruchu w centrum galaktyki. W rezultacie gaz gwałtownie opada w kierunku centralnej czarnej dziury. Dzięki ALMA ujawniono to zjawisko fizyczne, znane jako „niestabilność grawitacyjna”, występujące w jądrze galaktyki.
Dodatkowo, to badanie znacząco przyczyniło się do ilościowego zrozumienia przepływów gazu wokół aktywnego jądra galaktycznego. Szybkość, z jaką gaz jest dostarczany do czarnej dziury, można obliczyć na podstawie gęstości obserwowanego gazu i prędkości przepływu akrecyjnego. Co zaskakujące, tempo to okazało się 30 razy większe niż wymagane do podtrzymania aktywności tego AGN. Innymi słowy, większość przepływu akrecyjnego w skali 1 roku świetlnego wokół centrum galaktyki nie przyczyniła się do wzrostu czarnej dziury. Gdzie więc podziała się ta nadwyżka gazu? To badanie również rozwikłało tę tajemnicę – obserwacje o wysokiej czułości gazów fazowych przez ALMA wykryły wypływy z aktywnego jądra galaktycznego. Analiza ilościowa wykazała, że większość gazu, który płynie w kierunku czarnej dziury, została wyrzucona w postaci wypływów atomowych lub molekularnych. Jednak ze względu na ich małe prędkości, nie mogły one uciec przed potencjałem grawitacyjnym czarnej dziury i ostatecznie powróciły do gazowego dysku. Tam zostały ponownie przetworzone w przepływ akrecyjny w kierunku czarnej dziury, podobny do fontanny, kończąc tym fascynującym procesem recyklingu gazu w centrum galaktyki.
Odnosząc się do osiągnięć tego badania, Takuma Izumi stwierdził: Wykrycie przepływów akrecyjnych i wypływów w obszarze oddalonym zaledwie o kilka lat świetlnych od aktywnie rosnącej supermasywnej czarnej dziury, szczególnie w gazie wielofazowym, a nawet rozszyfrowanie samego mechanizmu akrecji, stanowi naprawdę monumentalne osiągnięcie w historii badań supermasywnych czarnych dziur. Podkreśla to ogrom znaczenia tego osiągnięcia. Patrząc w przyszłość, kontynuuje: Aby kompleksowo zrozumieć wzrost supermasywnych czarnych dziur w historii kosmosu, musimy zbadać różne typy supermasywnych czarnych dziur, które znajdują się dalej. Wymaga to obserwacji o wysokiej rozdzielczości i czułości, a my pokładamy duże nadzieje w dalszym wykorzystaniu ALMA i nadchodzących dużych interferometrów radiowych nowej generacji.
Wyniki badań zostały opublikowane 3 listopada 2023 roku w czasopiśmie Science.
Więcej informacji:
- ALMA Observations Unveil Gas Recycling Process Near a Supermassive Black Hole
- Supermassive black hole feeding and feedback observed on subparsec scales
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Źródło: ALMA
Na ilustracji: Ilustracja przedstawiająca rozkład ośrodka międzygwiazdowego w aktywnym jądrze galaktycznym na podstawie wyników tej obserwacji. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Izumi i inni
