Kiedy astronomowie używają radioteleskopów do wpatrywania się w nocne niebo, zazwyczaj widzą galaktyki w kształcie eliptycznym, z bliźniaczymi dżetami wystrzeliwanymi z obu stron ich centralnej supermasywnej czarnej dziury. Ale od czasu do czasu – mniej niż 10% czasu – astronomowie mogą dostrzec coś wyjątkowego i rzadkiego: galaktykę radiową w kształcie litery X, z czterema dżetami sięgającymi daleko w przestrzeń kosmiczną.
Chociaż te tajemnicze radiogalaktyki w kształcie litery X wprawiały w zakłopotanie astrofizyków od dwóch dekad, nowe badanie Northwestern University rzuca nowe światło na sposób ich powstawania – i jest to zaskakująco proste. Badanie wykazało również, że radiogalaktyki w kształcie litery X mogą być częstsze niż wcześniej sądzono.
Badanie zostanie opublikowane 29 sierpnia w Astrophysical Journal Letters. Jest to pierwsza symulacja akrecji galaktyk na dużą skalę, która śledzi galaktyczny gaz z dala od supermasywnej czarnej dziury aż do niej.
Proste warunki prowadzą do bałaganu
Korzystając z nowych symulacji, astrofizycy z Northwestern zaimplementowali proste warunki do modelowania zasilania supermasywnej czarnej dziury oraz formowania organicznego jej dżetów i dysku akrecyjnego. Kiedy naukowcy przeprowadzili symulację, proste warunki organicznie i nieoczekiwanie doprowadziły do powstania galaktyki radiowej w kształcie litery X.
Co zaskakujące, naukowcy odkryli, że charakterystyczny kształt X galaktyki wynikał z interakcji między dżetami a gazem wpadającym do czarnej dziury. Na początku symulacji spadający gaz odchylał nowo utworzone dżety, które włączały się i wyłączały, nieregularnie kołysały się i napełniały pary wnęk w różnych kierunkach, aby przypominały kształt litery X. W końcu jednak dysze stały się wystarczająco silne, aby przebić się przez gaz. W tym momencie dysze ustabilizowały się, przestały się chwiać i rozchodziły wzdłuż jednej osi.
„Odkryliśmy, że nawet przy prostych, symetrycznych warunkach początkowych można uzyskać dość niechlujny wynik” – powiedział Aretaios Lalakos z Northwestern, który prowadził badanie. „Popularnym wyjaśnieniem radiogalaktyk w kształcie litery X jest to, że dwie galaktyki zderzają się, powodując łączenie się ich supermasywnych czarnych dziur, co zmienia spin pozostałej czarnej dziury i kierunek dżetu. Innym pomysłem jest to, że kształt dżetu zmienia się, gdy oddziałuje z wielkoskalowym gazem otaczającym izolowaną supermasywną czarną dziurę. Teraz po raz pierwszy odkryliśmy, że radiogalaktyki w kształcie litery X mogą w rzeczywistości powstawać w znacznie prostszy sposób.
Lalakos jest absolwentem Northwestern Weinberg College of Arts and Sciences oraz członkiem Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics (CIERA). Współdoradzają mu współautor artykułu Sasha Tchekhovskoy, adiunkt fizyki i astronomii na Northwestern i kluczowy członek CIERA, oraz Ore Gottlieb, adiunkt CIERA.
Przypadkowy kształt litery X
Chociaż radiogalaktyki emitują światło widzialne, obejmują również duże obszary emisji radiowej. Być może najsłynniejszą galaktyką radiową jest M87, jedna z najbardziej masywnych galaktyk we Wszechświecie, która została jeszcze bardziej spopularyzowana w 2019 roku, kiedy Teleskop Event Horizon wykonał zdjęcia jej centralnej supermasywnej czarnej dziury. Radiogalaktyki w kształcie litery X, wymyślone po raz pierwszy w 1992 roku, stanowią mniej niż 10% wszystkich radiogalaktyk.
Kiedy Lalakos przystąpił do modelowania czarnej dziury, nie spodziewał się symulować galaktyki w kształcie litery X. Zamiast tego zamierzał zmierzyć ilość masy zjedzonej przez czarną dziurę. Wprowadził do symulacji proste warunki astronomiczne i pozwolił jej działać. Lalakos początkowo nie zdawał sobie sprawy ze znaczenia wyłaniającego się kształtu X, ale Czechowskoj zareagował z entuzjastycznym zapałem.
„Powiedział: ‘Stary, to jest bardzo ważne! To jest kształt X!’” powiedział Lalakos. „Powiedział mi, że astronomowie zaobserwowali to w prawdziwym życiu i nie wiedzieli, jak powstały. Stworzyliśmy to w sposób, którego nikt wcześniej nawet nie spekulował”.
W poprzednich symulacjach inni astrofizycy próbowali sztucznie stworzyć struktury w kształcie litery X, aby zbadać, jak powstają. Ale symulacja Lalakosa organicznie doprowadziła do powstania kształtu X.
„W mojej symulacji nie próbowałem niczego zakładać” – powiedział Lalakos. „Zwykle naukowcy umieszczają czarną dziurę w środku siatki symulacyjnej i umieszczają wokół niej duży, już uformowany dysk gazowy, a następnie mogą dodać otaczający gaz na zewnątrz dysku. W tym badaniu symulacja rozpoczyna się bez dysku, ale wkrótce powstaje, gdy wirujący gaz zbliża się do czarnej dziury. Ten dysk następnie zasila czarną dziurę i tworzy dżety. Poczyniłem najprostsze możliwe założenia, więc cały wynik był niespodzianką. Po raz pierwszy ktoś widział X morfologia ukształtowana w symulacjach z bardzo prostych warunków początkowych.”
„Nie mam szczęścia, żeby je zobaczyć”
Ponieważ kształt litery X pojawił się dopiero na początku symulacji – do czasu, gdy dżety wzmocniły się i ustabilizowały – Lalakos uważa, że radiowe galaktyki w kształcie litery X mogą pojawiać się we wszechświecie częściej, ale trwać bardzo krótko, niż wcześniej sądzono.
„Mogą powstać za każdym razem, gdy czarna dziura dostanie nowy gaz i zacznie ponownie jeść” – powiedział. „Więc mogą zdarzać się często, ale możemy nie mieć szczęścia, aby je zobaczyć, ponieważ zdarzają się one tylko tak długo, jak moc strumienia jest zbyt słaba, aby wypchnąć gaz”.
Następnie Lalakos planuje kontynuować symulacje, aby lepiej zrozumieć, jak powstają te kształty X. Nie może się doczekać eksperymentów z rozmiarami dysków akrecyjnych i spinami centralnych czarnych dziur. W innych symulacjach Lalakos uwzględnił dyski akrecyjne, które prawie nie istniały, aż do ekstremalnie dużych – żadna nie doprowadziła do nieuchwytnego kształtu X.
„Dla większości wszechświata niemożliwe jest zbliżenie w centrum i zobaczenie, co dzieje się bardzo blisko czarnej dziury” – powiedział Lalakos. „I nawet rzeczy, które możemy obserwować, jesteśmy ograniczeni czasem. Jeśli supermasywna czarna dziura już się uformowała, nie możemy obserwować jej ewolucji, ponieważ ludzkie życie jest zbyt krótkie. W większości przypadków polegamy na symulacjach, aby zrozumieć, co dzieje się w pobliżu czarna dziura.”
Wideo: https://youtu.be/bqigJa1G4k0
Badanie było wspierane przez National Science Foundation (numery grantów AST-2107839, AST-1815304, AST-1911080 i OAC-2031997).