Być może dowiemy się, w jaki sposób supermasywne czarne dziury odżywiają się i rosną. Na początku 2022 roku astronomowie śledzili dane z Zwicky Transient Facility, przeglądu całego nieba znajdującego się w Obserwatorium Palomar w Kalifornii, i wykryli niezwykły błysk w części nieba, gdzie poprzedniej nocy nie zaobserwowali takiego światła. Według przybliżonych obliczeń błysk emitował więcej światła niż biliard Słońc.
Zespół, kierowany przez badaczy z NASA, Caltechu i innych ośrodków opublikował swoje odkrycie w biuletynie astronomicznym, dzięki czemu sygnał przyciągnął uwagę astronomów z całego świata. W ciągu następnych dni wiele teleskopów skupiło się na sygnale, aby zebrać więcej danych na wielu długościach fal w zakresie promieniowania X, ultrafioletu, promieniowania optycznego i radiowego, aby zobaczyć, co mogłoby wyemitować tak ogromną ilość światła.
Teraz astronomowie z MIT wraz ze współpracownikami ustalili prawdopodobne źródło sygnału. W pracy opublikowanej 30 listopada 2022 roku w czasopiśmie „Nature Astronomy” naukowcy donoszą, że sygnał nazwany AT 2022cmc pochodzi prawdopodobnie z relatywistycznego strumienia materii wydobywającego się z okolic supermasywnej czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła. Uważają oni, że strumień ten jest produktem czarnej dziury, która nagle zaczęła pochłaniać pobliską gwiazdę, uwalniając w tym procesie ogromną ilość energii.
Astronomowie zaobserwowali inne tego typu zjawiska rozerwania pływowego (TDE), w których przechodząca w pobliżu gwiazda jest rozrywana przez siły pływowe czarnej dziury. Źródło AT 2022cmc jest jaśniejsze niż jakiekolwiek odkryty do tej pory TDE. Źródło to jest również najdalszym wykrytym kiedykolwiek TDE – znajduje się około 8,5 miliarda lat świetlnych – ponad połowę Wszechświata – od nas.
Jak tak odległe zdarzenie mogło pojawić się takim jasnym na niebie? Zespół stwierdził, że strumień czarnej dziury może być skierowany bezpośrednio w stronę Ziemi, przez co sygnał wydaje się jaśniejszy, niż gdyby dżet był skierowany w inną stronę. Efekt ten to „wzmocnienie dopplerowskie” – jest podobny do wzmocnionego dźwięku syreny przejeżdżającej karetki pogotowia.
Źródło AT 2022cmc jest czwartym kiedykolwiek wykrytym TDE z wzmocnieniem dopplerowskim i pierwszym takim zdarzenie obserwowanym od 2011 roku. Jest to również pierwsze TDE odkryte z użyciem optycznego przeglądu nieba. Gdy w najbliższych latach uruchomione zostaną potężne teleskopy, ujawnią one więcej TDE, które mogą pomóc zrozumieć, jak supermasywne czarne dziury rosną i kształtują otaczające je galaktyki.
Wiemy, że na każdą galaktykę przypada jedna supermasywna czarna dziura, i że uformowały się one bardzo szybko, w ciągu pierwszych milionów lat istnienia Wszechświata – mówi Matteo Lucchini, współautor pracy, doktor habilitowany w Kavli Institute for Astrophysics and Space Research na MIT. Omawiane odkrycie wskazuje, że czarne dziury żywią się bardzo intensywnie, chociaż nie wiemy, jak działa ten „proces karmienia”. Tak więc źródła takie jak TDE mogą być naprawdę dobrą próbką tego, jak przebiega ten proces.
Szał karmienia
Po odkryciu źródła AT 2022cmc Lucchini i inni badacze skupili się na obserwacji sygnału za pomocą Neutron Star Interior Composition ExploreR (NICER), teleskopu rentgenowskiego działającego na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).
Przez pierwsze trzy dni wszystko wyglądało całkiem normalnie – wspomina dr Dheeraj Pasham, współautor omawianego artykułu. Potem spojrzeliśmy na ten fragment nieba za pomocą teleskopu rentgenowskiego i odkryliśmy, że źródło było zbyt jasne.
Zazwyczaj takie jasne błyski na niebie to rozbłyski promieniowania gamma – ekstremalnie intensywne strumienie emisji promieniowania X, które powstają w wyniku zapadania się masywnych gwiazd.
To konkretne zdarzenie było sto razy silniejsze niż najpotężniejsza poświata po rozbłysku gamma – mówi Pasham. To było coś niezwykłego.
Następnie zespół zebrał obserwacje z innych teleskopów rentgenowskich, radiowych, optycznych i UV, i przez kilka następnych tygodni śledził aktywność sygnału. Najbardziej niezwykłą właściwością, jaką zaobserwowali, była ekstremalna jasność sygnału w paśmie rentgenowskim. Odkryli, że emisja promieniowania X z AT 2022cmc zmieniła się jak 1 do 500 w ciągu kilku tygodni.
Podejrzewali, że tak ekstremalna aktywność rentgenowska musi być zasilana przez „ekstremalny epizod akrecji” – zdarzenie, które generuje ogromny wirujący dysk, na przykład w wyniku rozerwania pływowego, w którym rozszarpana gwiazda tworzy wir gazu, gdy spada w kierunku czarnej dziury.
Rzeczywiście – zespół odkrył, że jasność rentgenowska AT 2022cmc była porównywalna, choć jaśniejsza niż trzy wcześniej wykryte TDE. Te jasne zdarzenia powodowały generowanie strumieni materii skierowanych prosto w stronę Ziemi. Naukowcy zastanawiali się: jeżeli jasność AT 2022cmc jest wynikiem podobnego dżetu celującego w Ziemię, jak szybko musi się on poruszać, aby wygenerować tak jasny sygnał? Aby odpowiedzieć na to pytanie, Lucchini modelował dane sygnału, zakładając, że zdarzenie dotyczyło strumienia kierującego się prosto na Ziemię.
Odkryliśmy, że prędkość strumienia wynosi 99,99% prędkości światła – mówi badacz.
Aby wytworzyć tak intensywny strumień, czarna dziura musi znajdować się w niezwykle aktywnej fazie. Prawdopodobnie połyka ona gwiazdę w tempie połowy masy Słońca rocznie – szacuje Pasham. Wiele z tych zakłóceń pływowych ma miejsce na wczesnym etapie i byliśmy w stanie uchwycić to zdarzenie na samym początku, w ciągu tygodnia od tego, jak czarna dziura zaczęła żerować na gwieździe.
Spodziewamy się znacznie więcej takich TDE w przyszłości – dodaje Lucchini. Wtedy moglibyśmy wreszcie powiedzieć, jak dokładnie czarne dziury wystrzeliwują te niezwykle potężne strumienie.
Opracowanie: Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- Mysteriously bright flash is a black hole jet pointing straight toward Earth, astronomers say
- The Birth of a Relativistic Jet Following the Disruption of a Star by a Cosmological Black Hole
Źródło: MIT
Na ilustracji: Astronomowie zidentyfikowali niezwykle jasny strumień czarnej dziury, w połowie drogi przez Wszechświat, skierowany prosto w stronę Ziemi. Źródło: Dheeraj Pasham, Matteo Lucchini i Margaret Trippe
