Międzynarodowy zespół astronomów odkrył coś, co wydaje się uniwersalną regułą rządzącą jednym z najbardziej spektakularnych zachowań czarnych dziur, czyli produkcją potężnych dżetów.
Dotyczy to zarówno czarnych dziur o masie gwiazdowej, około dziesięciokrotnie większej od masy Słońca, jak i supermasywnych czarnych dziur, które są miliony razy cięższe.
Wyniki badań Andrew Mummery’ego z Institute for Advanced Study oraz Adelle Goodwin z Curtin University opublikowano w czasopiśmie Nature Astronomy.
Naprawdę chcieliśmy rozwiązać tę ogromną zagadkę. Dlaczego niektóre supermasywne czarne dziury wyrzucają dżety radiowe zaraz po rozerwaniu gwiazdy, podczas gdy inne po prostu stoją, wyglądając na całkowicie uśpione, by nagle uruchomić swoje dżety miesiące, a choćby lata później? – powiedział Mummery.
Historia tego odkrycia ma zresztą dość nietypowy początek. Mummery i Goodwin doszli do kluczowego wniosku podczas rozmowy w barze. To wtedy zauważyli, iż reguła znana z obserwacji małych czarnych dziur może pasować również do danych dotyczących supermasywnych obiektów.
Czarne dziury to nie kosmiczne odkurzacze
Czarne dziury przedstawia się jako obiekty, które bezlitośnie wciągają wszystko, co znajdzie się w ich pobliżu. To efektowne porównanie, ale rzeczywistość jest znacznie bardziej interesująca.
Kiedy czarna dziura rozrywa gwiazdę, nie połyka wszystkiego bez ładu i składu. Chociaż część zostaje skonsumowana, duża część jest gwałtownie wyrzucana z powrotem w przestrzeń kosmiczną w postaci potężnych wypływów. Te potężne kosmiczne „beknięcia” mogą wyrzucać materię na oszałamiające odległości, fundamentalnie wpływając na ewolucję galaktyk macierzystych – stwierdził Goodwin.
Jeżeli czarna dziura zaczyna intensywnie pochłaniać materię, gaz nie spada po prostu pionowo do środka. Zaczyna wirować wokół niej, tworząc rozgrzany dysk akrecyjny. Materia w takim dysku może osiągać ogromne temperatury i emitować promieniowanie w wielu zakresach widma.
Jednak część materii wcale nie kończy jako składnik czarnej dziury. W pewnych warunkach energia i pola magnetyczne związane z dyskiem akrecyjnym mogą doprowadzić do wyrzucenia części materii w przestrzeń kosmiczną. Powstają wtedy potężne strugi, czyli dżety.
Takie dżety mogą być niezwykle energetyczne i rozciągać się na ogromne odległości. W przypadku aktywnych jąder galaktyk ich wpływ może sięgać znacznie dalej niż bezpośrednie otoczenie czarnej dziury, oddziałując na gaz w całej galaktyce.
Problem polegał na tym, iż astronomowie nie wiedzieli dokładnie, kiedy czarna dziura podejmuje decyzję o uruchomieniu takiego kosmicznego silnika i wyrzuceniu dżetu.
Gwiazda rozerwana na strzępy
W przypadku supermasywnych czarnych dziur obserwowanie całego procesu jest bardzo trudne. Ich układy akrecyjne mogą zmieniać się w skalach czasowych liczonych w tysiącach, a choćby milionach lat. Nie da się więc po prostu obserwować jednej czarnej dziury przez całe jej życie i czekać na zmianę trybu pracy.
Astronomowie znaleźli jednak sposób, aby przyspieszyć ten kosmiczny eksperyment. Wykorzystali tak zwane zdarzenia rozerwania pływowego. Dochodzi do nich, gdy gwiazda zbliży się zbyt mocno do supermasywnej czarnej dziury. Potężna różnica sił grawitacyjnych działających na bliższą i dalszą część gwiazdy rozciąga ją, rozrywa i pożera.
To właśnie tutaj pojawia się wyjątkowa możliwość obserwacyjna. Zamiast obserwować czarną dziurę zmieniającą się przez tysiące lat, astronomowie mogą śledzić gwałtowną przemianę jej otoczenia w ciągu zaledwie kilku lat.
Gwiazda dostarcza bowiem czarnej dziurze ogromnej ilości materii. Najpierw akrecja jest bardzo intensywna, a później stopniowo słabnie. Naukowcy mogą więc obserwować kolejne etapy tego procesu i sprawdzać, co dzieje się z dżetami.
Prześledzili 20 kosmicznych katastrof
Mummery i Goodwin przeanalizowali 20 zdarzeń rozerwania gwiazd przez supermasywne czarne dziury. Wykorzystali przy tym obserwacje pochodzące z różnych teleskopów i zakresów promieniowania: od światła optycznego i ultrafioletowego po promieniowanie rentgenowskie oraz fale radiowe.
Ostatecznie do szczegółowej analizy wybrano 10 najlepiej udokumentowanych zdarzeń. W ich przypadku można było wiarygodnie odtworzyć zarówno tempo opadania materii na czarną dziurę, jak i moment pojawienia się radiowego sygnału świadczącego o wyrzuceniu materii.
I wtedy pojawił się niezwykle interesujący wzorzec. Astronomowie zauważyli, iż dżety pojawiają się w dwóch różnych fazach. Pierwsza przypada na początek procesu, gdy czarna dziura pochłania materię z ekstremalną intensywnością. Druga jest znacznie bardziej interesująca. Następuje bowiem setki, a choćby tysiące dni po rozerwaniu gwiazdy.
Jest konkretna granica
W miarę upływu czasu czarna dziura przestaje być tak „żarłoczna”. Tempo akrecji spada. I właśnie wtedy, gdy osiąga około 2 proc. wartości odpowiadającej granicy Eddingtona, pojawia się drugi typ potężnego wypływu materii.
Granica Eddingtona to używana przez astronomów skala opisująca maksymalną jasność i związane z nią tempo akrecji, przy którym ciśnienie promieniowania może równoważyć grawitacyjne przyciąganie materii. Jest to wygodny punkt odniesienia pozwalający porównywać tempo karmienia czarnych dziur niezależnie od ich masy.
I właśnie tutaj kryje się najważniejsza część odkrycia. W przypadku supermasywnych czarnych dziur wartość około 0,02 wartości Eddingtona odpowiada progowi, przy którym pojawia się opisywana faza wyrzucania materii. Bardzo podobny próg znany był już wcześniej z obserwacji znacznie mniejszych czarnych dziur znajdujących się w układach podwójnych w naszej galaktyce.
To oznacza, iż czarna dziura o masie około 10 Słońc i czarna dziura ważąca miliony mas Słońca mogą przechodzić przez analogiczny proces przy tym samym względnym poziomie akrecji.
Odkrycie nie jest wyłącznie ciekawostką dotyczącą czarnych dziur. Może mieć bardzo praktyczne konsekwencje dla obserwacji kosmosu.
Teleskopy są zasobem niezwykle cennym. Czas obserwacyjny najlepszych instrumentów jest ograniczony, a astronomowie muszą wcześniej zdecydować, kiedy i gdzie skierować urządzenia. o ile wiadomo, iż po określonym czasie od rozerwania gwiazdy czarna dziura powinna zbliżyć się do krytycznego poziomu akrecji, można lepiej zaplanować obserwacje.
Zamiast czekać na przypadkowe wykrycie radiowego rozbłysku, naukowcy mogą próbować przewidzieć, kiedy dany obiekt będzie szczególnie interesujący.
Główna ilustracja: Artystyczne wyobrażenie rozerwania pływowego. Grafika wygenerowana przez AI.
