Zespół naukowców dokonał przełomowych odkryć dotyczących supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej Galaktyki.
Czarne dziury są niezwykle trudne do zbadania – po części dlatego, że światło nie jest w stanie uciec przed ich niezwykle silną grawitacją. Naukowcy zazwyczaj wnioskują o ich właściwościach na podstawie obserwacji ich wpływu grawitacyjnego na pobliskie gwiazdy, emisji z otaczających je obłoków gazu i innych tego typu zjawisk.
Grace Sanger-Johnson i Jack Uteg, kierowani przez dr Shou Zhang, adiunkt na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Michigan (Michigan State University – MSU), znaleźli innowacyjne sposoby, aby rzucić więcej światła na te kosmiczne zagadki, wykorzystując dziesięciolecia danych rentgenowskich z teleskopów kosmicznych.
Galaktyczne fajerwerki
Sanger-Johnson przeanalizowała 10 lat danych w poszukiwaniu rozbłysków rentgenowskich z Sagittarius A* (Sgr A*), centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej. W ten sposób odkryła dziewięć rozbłysków, które pozostały niezauważone. Rozbłyski te to dramatyczne wybuchy wysokoenergetycznego światła, które dają wyjątkową okazję zbadania bezpośredniego otoczenia czarnej dziury – regionu zwykle niewidocznego z powodu jej niesamowitej grawitacji. Sgr A* jest najbliższą Ziemi i najmniej aktywną supermasywną czarną dziurą, a zatem dane opisujące ją i jej rozbłyski to jedyna obecnie dostępna metoda badania fizycznego środowiska czarnej dziury.
Siedzimy w pierwszym rzędzie i obserwujemy te wyjątkowe kosmiczne fajerwerki w centrum naszej własnej Galaktyki Drogi Mlecznej – powiedziała Zhang.
Sanger-Johnson skrupulatnie przeanalizowała dane rentgenowskie zebrane w latach 2015–2024 przez teleskop rentgenowski NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array). Zespół stwierdził, że każdy z dziewięciu nowo odkrytych rozbłysków dostarcza bezcennych danych do zrozumienia środowiska i aktywności czarnej dziury.
Mamy nadzieję, że tworząc ten bank danych o rozbłyskach Sgr A*, my i inni astronomowie będziemy mogli analizować właściwości tych rozbłysków rentgenowskich i wnioskować o warunkach fizycznych panujących w ekstremalnym środowisku supermasywnej czarnej dziury – powiedziała Sanger-Johnson.
„Echa” czarnej dziury
Podczas gdy Sanger-Johnson skupiła się na wspaniałych rozbłyskach z Sgr A*, Uteg zbadał aktywność czarnej dziury, stosując technikę przypominającą słuchanie echa. Uteg przeanalizował prawie dwudziestoletnie dane dotyczące olbrzymiego obłoku molekularnego znanego jako „Most” w pobliżu Sgr A*.
W przeciwieństwie do gwiazd, obłoki gazu i pyłu w przestrzeni międzygwiazdowej nie generują własnego promieniowania rentgenowskiego – powiedział Uteg. Kiedy więc teleskopy rentgenowskie zaczęły odbierać fotony z Mostu, astronomowie zaczęli snuć hipotezy na temat ich źródła.
Jasność, którą widzimy, jest najprawdopodobniej opóźnionym odbiciem wcześniejszych wybuchów promieniowania rentgenowskiego z Sgr A* – powiedział Uteg. Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy wzrost jasności tego obiektu około 2008 roku. Przez następne 12 lat, sygnały rentgenowskie z Mostu nadal rosły, aż do osiągnięcia szczytowej jasności w 2020 roku.
To „echo” światła z czarnej dziury podróżowało przez setki lat z Sgr A* do obłoku molekularnego, a następnie przybyło kolejne około 26 tysięcy lat, zanim dotarło do Ziemi. Analizując to echo rentgenowskie, Uteg rozpoczął rekonstrukcję osi czasu przeszłej aktywności naszej czarnej dziury, dzięki czemu wgląd, który nie byłby możliwy dzięki samej bezpośredniej obserwacji. Wykorzystał dane z NuSTAR, a także z obserwatorium kosmicznego XMM-Newton.
Jednym z głównych powodów, dla których zależy nam na tym, aby ten obłok stał się jaśniejszy, jest to, że pozwala nam to ustalić, jak jasny był wybuch Sgr A* w przeszłości – wskazał Uteg.
W ramach tych obliczeń Uteg i zespół z MSU ustalili, że około 200 lat temu Sgr A* była o około pięć rzędów wielkości jaśniejsza w promieniowaniu rentgenowskim, niż widzimy ją dzisiaj.
Po raz pierwszy skonstruowaliśmy trwającą 24 lata zmienność dla obłoku molekularnego otaczającego naszą supermasywną czarną dziurę, która osiągnęła szczytową jasność rentgenowską – powiedziała Zhang. Pozwala nam to określić przeszłą aktywność Sgr A* sprzed około 200 lat. Nasz zespół badawczy w MSU będzie kontynuował tę „astro-archeologiczną grę”, aby dalej odkrywać tajemnice centrum Drogi Mlecznej.
Podczas gdy dokładne mechanizmy wyzwalające rozbłyski rentgenowskie i dokładny cykl życia czarnych dziur pozostają tajemnicami, naukowcy z MSU są przekonani, że ich odkrycia pobudzą dalsze badania i potencjalnie zrewolucjonizują nasze zrozumienie tych enigmatycznych obiektów.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
Źródło: Michigan State University
Na ilustracji: Galaktyczne centrum wraz z nowo odkrytymi flarami z Sgr A*. Źródło: NuSTAR/NASA
