Wydaje się, że w sercu odległej galaktyki supermasywna czarna dziura doświadczyła czkawki.
Astronomowie z MIT, Włoch, Czech i innych krajów odkryli, że wcześniej cicha czarna dziura, która znajduje się w centrum galaktyki oddalonej o około 800 milionów lat świetlnych, nagle wybuchła, wydzielając pióropusze gazu co 8,5 dnia, zanim opadnie powrócić do normalnego, spokojnego stanu.
Okresowe czkawki to nowe zachowanie, którego nie zaobserwowano dotychczas w czarnych dziurach. Naukowcy uważają, że najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie wybuchów wynika z obecności drugiej, mniejszej czarnej dziury, która krąży wokół centralnej, supermasywnej czarnej dziury i wyrzuca materię z dysku gazowego większej czarnej dziury co 8,5 dnia.
Odkrycia zespołu, które zostaną opublikowane w czasopiśmie Science Advances, podważają konwencjonalny obraz dysków akrecyjnych czarnych dziur, które według naukowców są stosunkowo jednorodnymi dyskami gazu krążącymi wokół centralnej czarnej dziury. Nowe wyniki sugerują, że dyski akrecyjne mogą być bardziej zróżnicowane pod względem zawartości i prawdopodobnie zawierać inne czarne dziury, a nawet całe gwiazdy.
„Myśleliśmy, że wiemy dużo o czarnych dziurach, ale to nam mówi, że mogą zrobić o wiele więcej rzeczy” – mówi autor badania Dheeraj „DJ” Pasham, pracownik naukowy w Instytucie Astrofizyki i Badań Kosmicznych Kavli na MIT. „Uważamy, że takich systemów będzie znacznie więcej i musimy po prostu zebrać więcej danych, aby je znaleźć”.
Współautorami badania z MIT są doktorant Peter Kosec, absolwentka Megan Masterson, profesor nadzwyczajna Erin Kara, główny pracownik naukowy Ronald Remillard i były pracownik naukowy Michael Fausnaugh, a także współpracownicy z wielu instytucji, w tym z Uniwersytetu Tor Vergata w Rzymie, Instytut Astronomiczny Czeskiej Akademii Nauk i Uniwersytet Masaryka w Czechach.
“Wykorzystuj albo strać”
Odkrycia zespołu powstały w wyniku automatycznego wykrywania przez ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae), sieć 20 automatycznych teleskopów rozmieszczonych w różnych miejscach na półkuli północnej i południowej. Teleskopy raz dziennie automatycznie przeglądają całe niebo w poszukiwaniu oznak supernowych i innych przejściowych zjawisk.
W grudniu 2020 roku w ramach przeglądu zaobserwowano rozbłysk światła w galaktyce oddalonej o około 800 milionów lat świetlnych. Ta konkretna część nieba była stosunkowo cicha i ciemna aż do wykrycia przez teleskopy, kiedy galaktyka nagle pojaśniała 1000-krotnie. Pasham, który przypadkiem był świadkiem wykrycia zgłoszonego w ostrzeżeniu społeczności, zdecydował się skupić na rozbłysku za pomocą należącego do NASA teleskopu rentgenowskiego NICER (The Neutron Star Interior Composition Explorer) znajdującego się na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który stale monitoruje niebo przez X -rozbłyski promieni, które mogą sygnalizować aktywność gwiazd neutronowych, czarnych dziur i innych ekstremalnych zjawisk grawitacyjnych. Moment był przypadkowy, ponieważ zbliżał się koniec rocznego okresu Pashama, podczas którego miał pozwolenie na wycelowanie, czyli „uruchomienie” teleskopu.
„Albo to wykorzystać, albo stracić, i okazało się, że to był mój najszczęśliwszy moment” – mówi.
Wyszkolił NICER do obserwacji odległej galaktyki w trakcie jej dalszego rozbłysku. Wybuch trwał około czterech miesięcy, po czym wygasł. W tym czasie NICER codziennie i z dużą częstotliwością dokonywał pomiarów emisji promieniowania rentgenowskiego galaktyki. Kiedy Pasham przyjrzał się uważnie danym, zauważył ciekawy wzór w obrębie czteromiesięcznego rozbłysku: subtelne spadki w bardzo wąskim paśmie promieni rentgenowskich, które zdawały się pojawiać ponownie co 8,5 dnia.
Wydawało się, że wybuchy energii w galaktyce okresowo spadają co 8,5 dnia. Sygnał jest podobny do tego, który widzą astronomowie, gdy orbitująca planeta przecina się przed swoją gwiazdą macierzystą, na krótko blokując światło gwiazdy. Ale żadna gwiazda nie byłaby w stanie zablokować rozbłysku z całej galaktyki.
„Drapałem się po głowie, co to oznacza, ponieważ ten wzór nie pasuje do niczego, co wiemy o tych systemach” – wspomina Pasham.
Przybij to
Szukając wyjaśnienia okresowych spadków, Pasham natknął się na niedawną publikację fizyków teoretyków z Czech. Teoretycy osobno ustalili, że teoretycznie możliwe jest, aby w centralnej supermasywnej czarnej dziurze w galaktyce znajdowała się druga, znacznie mniejsza czarna dziura. Ta mniejsza czarna dziura mogłaby orbitować pod kątem w stosunku do dysku akrecyjnego swojego większego towarzysza.
Jak proponowali teoretycy, cząstka wtórna okresowo przebijałaby się przez dysk pierwotnej czarnej dziury podczas jej orbitowania. W trakcie tego procesu wydzieliłby się pióropusz gazu, przypominający pszczołę przelatującą przez chmurę pyłku. Potężne pola magnetyczne na północ i południe od czarnej dziury mogłyby następnie wyrzucić pióropusz w górę i na zewnątrz dysku. Za każdym razem, gdy mniejsza czarna dziura przebija dysk, wyrzuca kolejny pióropusz w regularny, okresowy sposób. Gdyby ten pióropusz wskazywał w stronę teleskopu obserwacyjnego, mógłby go zaobserwować jako spadek ogólnej energii galaktyki, co jakiś czas na krótko blokując światło dysku.
„Byłem bardzo podekscytowany tą teorią i natychmiast wysłałem do nich e-mail z informacją: «Myślę, że obserwujemy dokładnie to, co przewidywała twoja teoria»” – mówi Pasham.
On i czescy naukowcy połączyli siły, aby przetestować ten pomysł, przeprowadzając symulacje obejmujące obserwacje NICER dotyczące pierwotnego wybuchu i regularnych, 8,5-dniowych spadków. To, co odkryli, potwierdza tę teorię: zaobserwowany wybuch był prawdopodobnie sygnałem drugiej, mniejszej czarnej dziury, krążącej wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury i okresowo przebijającej jej dysk.
W szczególności zespół odkrył, że przed wykryciem w grudniu 2020 r. w galaktyce panowała stosunkowo spokojna cisza. Zespół szacuje, że supermasywna czarna dziura w centrum galaktyki ma masę 50 milionów słońc. Przed wybuchem wokół czarnej dziury mógł znajdować się słaby, rozproszony dysk akrecyjny, podczas gdy druga, mniejsza czarna dziura, mierząca od 100 do 10 000 mas Słońca, krążyła we względnym zaciemnieniu.
Naukowcy podejrzewają, że w grudniu 2020 roku trzeci obiekt – prawdopodobnie pobliska gwiazda – przesunął się zbyt blisko układu i został rozerwany na kawałki pod wpływem ogromnej grawitacji supermasywnej czarnej dziury – zdarzenie, które astronomowie nazywają „zakłóceniem pływowym” wydarzenie.” Nagły napływ materii gwiazdowej na chwilę rozjaśnił dysk akrecyjny czarnej dziury, gdy szczątki gwiazdy wirowały w czarną dziurę. Przez cztery miesiące czarna dziura żerowała na gwiezdnych szczątkach, podczas gdy druga czarna dziura nadal krążyła po orbicie. Przebijając dysk, wyrzucił znacznie większy pióropusz niż zwykle, który przypadkowo wyleciał prosto w stronę teleskopu NICER.
Zespół przeprowadził liczne symulacje, aby przetestować okresowe spadki. Doszli do wniosku, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest nowy rodzaj układu Dawida i Goliata – mała czarna dziura o masie pośredniej, krążąca wokół supermasywnej czarnej dziury.
„To inna bestia” – mówi Pasham. „To nie pasuje do niczego, co wiemy o tych układach. Widzimy dowody na to, że obiekty wchodzą i przechodzą przez dysk pod różnymi kątami, co podważa tradycyjny obraz prostego dysku gazowego wokół czarnych dziur. Uważamy, że tak jest istnieje ogromna populacja tych systemów.”
„To znakomity przykład wykorzystania pozostałości rozerwanej gwiazdy do oświetlenia wnętrza jądra galaktycznego, które w przeciwnym razie pozostałoby ciemne. Można to porównać do użycia barwnika fluorescencyjnego do znalezienia nieszczelności w rurze” – mówi Richard Saxton, astronom rentgenowski z Europejskiego Centrum Astronomii Kosmicznej (ESAC) w Madrycie w Hiszpanii, który nie był zaangażowany w badania. „Wynik ten pokazuje, że bardzo bliskie układy podwójne supermasywnych czarnych dziur mogą być powszechne w jądrach galaktycznych, co jest bardzo ekscytującym osiągnięciem dla przyszłych detektorów fal grawitacyjnych”.
Badania te były częściowo wspierane przez NASA.