Międzynarodowy zespół astronomów, w skład którego wchodzą Polacy, zaobserwował drugą z dwóch supermasywnych czarnych dziur krążących wokół siebie w galaktyce aktywnej OJ 287.
Supermasywne czarne dziury o masach rzędu milionów lub miliardów mas Słońca znajdują się często w centrach aktywnych galaktyk. Astronomowie obserwują je jako jasne jądra tych galaktyk, w których taka czarna dziura gwałtownie pochłania materię z wirującego wokół niej dysku akrecyjnego. Część tej materii jest następnie wyrzucana z układu w formie potężnego strumienia (dżetu), co sprawia, że jądro całej galaktyki świeci intensywnie w całym zakresie widma elektromagnetycznego.
Astronomowie odkryli już wcześniej pewne dowody na obecność dwóch supermasywnych czarnych dziur krążących wokół siebie w takiej galaktyce aktywnej – kwazarze OJ 287. Najnowsze badania przedstawiają nowe wyniki powiązane z tym odkryciem. OJ 287 jest obecnie najlepiej zbadanym i zrozumianym przykładem układu podwójnego masywnych czarnych dziur. Jej czarne dziury znajdują się na niebie na tyle blisko siebie, że zlewają się w jedną strukturę, ale fakt, że ta struktura składa się z dwóch osobnych obiektów, stał się oczywisty po wykryciu dwóch różnych rodzajów sygnałów emitowanych przez nie.
OJ 287 znajduje się w granicach konstelacji Raka, w odległości około 5 miliardów lat świetlnych od nas, i sanowi szczególny typ galaktyki aktywnej – jest tak zwanym blazarem. Jest obserwowana przez astronomów od 1888 roku. Już ponad 40 lat temu astronomowie z Uniwersytetu w Turku w Finlandii zauważyli, że w emisji OJ 287 występuje wyraźny wzorzec mający dwa cykle: jeden trwający 12 lat, a drugi – około 55 lat. Zasugerowali, że cykle te wynikają z ruchu orbitalnego dwóch masywnych czarnych dziur wokół siebie, przy czym krótszy cykl jest po prostu cyklem orbitalnym, a dłuższy wynika z powolnej zmiany orientacji orbity układu.
Ruch orbitalny objawia się serią rozbłysków, które zachodzą, gdy druga czarna dziura regularnie przebija się przez dysk akrecyjny pierwszej – z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Ten proces zanurzania się w nim drugiej czarnej dziury podgrzewa wówczas materię znajdującą się w tym dysku, a w wyniku tego gorący gaz uwalnia się w postaci rozszerzających się bąbli, które stopniowo ochładzają się przez kilka miesięcy, podczas których emitują promieniowanie i powodują pojawienie się błysku w świetle widzialnym – bardzo jasnego rozbłysku, który trwa mniej więcej dwa tygodnie.
Po wieloletnich wysiłkach mających na celu oszacowanie dokładnego czasu zanurzania się drugiej czarnej dziury w dysku akrecyjnym pierwszej zespół astronomów z Uniwersytetu w Turku pod kierownictwem Mauri Valtonena i jego współpracowników osiągnął sukces. Udało się wymodelować parametry orbity mniej masywnej czarnej dziury i precyzyjnie przewidzieć przyszłe momenty wystąpienia obserwowanych już wcześniej rozbłysków. Było to możliwe w dużej mierze dzięki licznym kampaniom obserwacyjnym OJ 287 prowadzonym w latach 1983, 1994, 1995, 2005, 2007, 2015 i 2019 – między innymi właśnie w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Zebrane dane pozwoliły zespołowi zaobserwować przewidywane rozbłyski i potwierdzić obecność pary supermasywnych czarnych dziur w układzie. Okazało się, że większa czarna dziura jest ponad 18 miliardów razy bardziej masywna niż nasze Słońce, podczas gdy jej towarzyszka jest około 10 razy lżejsza, a jej orbita jest znacznie bardziej wydłużona niż kołowa.
Mimo podejmowanych wysiłków astronomowie nie byli długo w stanie zaobserwować bezpośredniego sygnału pochodzącego od mniejszej czarnej dziury. Przed 2021 rokiem jej istnienie wnioskowano jedynie pośrednio, na podstawie znanych rozbłysków i sposobu, w jaki powoduje ona zmianę kierunku dżetu większej czarnej dziury. Obie czarne dziury znajdują się tak blisko siebie, że nie można ich zobaczyć osobno, a w teleskopach zlewają się w jeden punkt. Tylko wtedy, gdy widzimy wyraźnie oddzielne sygnały z każdej z nich, możemy powiedzieć, że faktycznie „widzimy” je obie – wyjaśnia główny autor pracy, profesor Mauri Valtonen.
Mniejsza czarna dziura bezpośrednio zaobserwowana
Teraz okazuje się jednak, że kampanie obserwacyjne prowadzone w latach 2021/2022 z pomocą różnorodnej floty teleskopów umożliwiły naukowcom po raz pierwszy obserwację drugiej czarnej dziury, przebijającej się przez dysk akrecyjny pierwszej. Udało się też zarejestrować sygnały pochodzące bezpośrednio od mniejszej czarnej dziury.
Lata 2021-2022 miały szczególne znaczenie w badaniach OJ 287. Wcześniej przewidywano, że w tym okresie druga czarna dziura przeniknie przez dysk akrecyjny masywnej towarzyszki. Oczekiwano, że spowoduje to powstanie bardzo niebieskiego błysku zaraz po zderzeniu, i rzeczywiście zostało to zaobserwowane w ciągu kilku dni od czasu przewidzianego przez Martina Jelinka i jego współpracowników z Czeskiego Uniwersytetu Technicznego i Czeskiego Instytutu Astronomicznego – mówi Mauri Valtonen.
Były też dwie duże niespodzianki – nowego typu rozbłyski, które nie zostały wcześniej wykryte. Pierwszy został dostrzeżony dopiero dzięki szczegółowej kampanii obserwacyjnej przeprowadzonej przez profesora Staszka Zołę z Uniwersytetu Jagiellońskiego. Profesor Zoła i jego zespół zaobserwowali silny rozbłysk, wytwarzający 100 razy więcej światła niż cała galaktyka, który trwał zaledwie jeden dzień.
Według oszacowań rozbłysk ten nastąpił krótko po tym, gdy mniejsza czarna dziura otrzymała ogromną ilość nowego gazu, wchłoniętego podczas zanurzenia w dysku akrecyjnym większej. To właśnie proces pochłaniania prowadzi do gwałtownego rozjaśnienia obiektu OJ 287. Uważa się, że ten proces wzmocnił dżet, który wystrzelił z mniejszej czarnej dziury. Przewidziano to już dziesięć lat temu, jednak wcześniej nie udało się potwierdzić tej hipotezy.
Drugie nieoczekiwane zjawisko zostało wykryte w postaci nagłego promieniowania gamma za pomocą teleskopu Fermiego. Był to największy rozbłysk promieniowania gamma w OJ 287 od sześciu lat. Okazało się, że wystąpił w momencie, gdy mniejsza czarna dziura przebiła się przez gazowy dysk wokół głównej czarnej dziury. Interakcja dżetu mniejszej czarnej dziury z gazem obecnym w tym dysku prowadzi do emisji gamma. Aby potwierdzić tę hipotezę, naukowcy przeanalizowali zdarzenie związane z podobnym błyskiem gamma, które miało miejsce w roku 2013, gdy mniejsza czarna dziura przechodziła przez dysk obserwowany w tej samej lokalizacji, co w niedawnych obserwacjach.
A co z jednodniowym wybuchem, dlaczego nie widzieliśmy go wcześniej? OJ 287 jest rejestrowana na zdjęciach nieba już od 1888 roku, a intensywnie badana od 1970 roku. Okazuje się, że po prostu mieliśmy pecha. Nikt nie zaobserwował OJ 287 dokładnie w te noce, kiedy rozbłyski tego typu miały miejsce. Bez intensywnego monitoringu prowadzonego przez grupę profesora Zoły zapewne przegapilibyśmy to i tym razem – stwierdza Valtonen.
Wszystko to sprawia, że OJ 287 jest dziś najbardziej obiecującym kandydatem na parę supermasywnych czarnych dziur, które generują fale grawitacyjne o częstotliwościach nanohercowych. Co więcej, galaktyka aktywna OJ 287 jest regularnie monitorowana zarówno przez konsorcjum Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT), jak i Global mm-VLBI Array (GMVA) w celu znalezienia dodatkowych dowodów na obecność dwóch supermasywnych czarnych dziur w jej centrum. Szczególną uwagę poświęca się też uzyskaniu radiowego obrazu dżetu mniejszej czarnej dziury.
Wyniki badań zespołu kierowanego przez Mauri Valtonena ogłoszono na 242. spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego i opisano w najnowszym numerze czasopisma Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak, Elżbieta Kuligowska
Więcej informacji:
- Kosmiczny Teleskop Spitzera testuje Teorię Grawitacji Einsteina - powtarzające się wybuchy w pobliżu supermasywnej czarnej dziury
- First Detection of Secondary Supermassive Black Hole in a Well-Known Binary System
- Refining the OJ 287 2022 impact flare arrival epoch
Źródło: UTU
Na ilustracji: Wizja artystyczna OJ 287 – układu podwójnego supermasywnych czarnych dziur. Mniejsza czarna dziura o masie około 150 milionów mas Słońca porusza się wokół głównej czarnej dziury o masie 18 miliardów mas Słońca. Źródło: Źródło: AAS 2018
