Astronomowie dostrzegają niespotykane dotąd zjawiska na skraju aktywnej czarnej dziury

Zespół astronomów monitorujący supermasywną czarną dziurę w odległej galaktyce wykryły cechy, których nigdy wcześniej nie widziano.

Galaktyka aktywna 1ES 1927+654 (zakreślona), skrywająca centralną supermasywną czarną dziurę. Źródło: Pan-STARRS

Międzynarodowe zespoły astronomów monitorujące supermasywną czarną dziurę w sercu odległej galaktyki wykryły cechy, których nigdy wcześniej nie widziano, wykorzystująca dane z misji NASA i innych instrumentów. Cechy te obejmują uruchomienie strumienia plazmy poruszającego się z prędkością prawie ⅓ prędkości światła oraz niezwykłe, szybkie fluktuacje promieniowania rentgenowskiego, które prawdopodobnie powstają w pobliżu samej krawędzi czarnej dziury.

Źródłem jest 1ES 1927+654, galaktyka aktywna znajdująca się w odległości około 270 milionów lat świetlnych w konstelacji Smoka. Zawiera ona centralną czarną dziurę o masie odpowiadającej około 1,4 miliona Słońc.

W 2018 roku czarna dziura zaczęła zmieniać swoje właściwości na naszych oczach, z dużym wybuchem optycznym, ultrafioletowym i rentgenowskim – powiedziała Eileen Meyer, profesor nadzwyczajny na UMBC. Od tego czasu wiele zespołów bacznie ją obserwuje.

Artykuł opisujący wyniki radiowe został opublikowany 13 stycznia 2025 roku w The Astrophysical Journal Letters.

Po wybuchu czarna dziura wydawała się powracać do spokojnego stanu, z przerwą na aktywność przez prawie rok. Jednak do kwietnia 2023 roku zespół kierowany przez Sibasisha Lahę z UMBC i Centrum Lotów Kosmicznych Goddard NASA w Greenbelt odnotował stały, wielomiesięczny wzrost niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego w pomiarach przeprowadzonych przez Obserwatorium Neil Gehrels Swift i teleskop NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Ten program monitorowania, który obejmuje również obserwacje z NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) i XMM-Newton, jest kontynuowany.

Wzrost promieniowania rentgenowskiego skłonił zespół UMBC do przeprowadzenia nowych obserwacji radiowych, które wykazały, że trwa silny i bardzo nietypowy błysk radiowy. Następnie naukowcy rozpoczęli intensywne obserwacje przy użyciu VLBA (Very Long Baseline Array) NRAO (National Radio Astronomy Observatory) i innych urządzeń. VLBI, sieć radioteleskopów rozmieszczonych na terenie Stanów Zjednoczonych, łączy sygnały z poszczególnych anten, tworząc coś w rodzaju potężnej kamery radiowej o wysokiej rozdzielczości. Pozwala to VLBA na wykrycie obiektów o średnicy mniejszej niż rok świetlny w odległości 1ES 1927+654.

Dane radiowe z lutego, kwietnia i maja 2024 roku ujawniają coś, co wydaje się być strumieniami zjonizowanego gazu lub plazmy, rozciągającymi się po obu stronach czarnej dziury, o łącznym rozmiarze około pół roku świetlnego. Astronomowie od dawna zastanawiali się, dlaczego tylko ułamek monstrualnych czarnych dziur wytwarza potężne strumienie plazmy, a te obserwacje mogą dostarczyć kluczowych wskazówek.

Nigdy wcześniej nie zaobserwowano wypływu czarnej dziury w czasie rzeczywistym – zauważyła Meyer. Uważamy, że wypływ rozpoczął się wcześniej, gdy promieniowanie rentgenowskie wzrosło przed rozbłyskiem radiowym, a strumień był zasłonięty przed naszym wzrokiem przez gorący gaz, aż do wybuchu na początku 2024 roku.

Artykuł badający tę możliwość został opublikowany 4 stycznia 2025 roku w arXiv.

Korzystając z obserwacji XMM-Newton, Megan Masterson, współautorka artykułu, odkryła, że czarna dziura wykazywała niezwykle szybkie wahania promieniowania rentgenowskiego między lipcem 2022 roku a marcem 2024 roku. W tym okresie jasność rentgenowska wielokrotnie wzrastała i spadała o 10% co kilka minut. Takie zmiany, zwane milihercowymi oscylacjami kwaziperiodycznymi, są trudne do wykrycia wokół supermasywnych czarnych dziur i do tej pory zaobserwowano je tylko w kilku układach.

Jednym ze sposobów na wytworzenie tych oscylacji jest orbitowanie obiektu wewnątrz dysku akrecyjnego czarnej dziury. W tym scenariuszu każdy wzrost i spadek promieniowania rentgenowskiego reprezentuje jeden cykl orbitalny – powiedziała Masterson.

Gdyby fluktuacje były powodowane przez orbitującą masę, wówczas okres ten skracałby się wraz ze zbliżaniem się obiektu do horyzontu zdarzeń https://pl.wikipedia.org/wiki/Horyzont_zdarzeń czarnej dziury, punktu bez powrotu. Krążące masy generują fale w czasoprzestrzeni zwane falami grawitacyjnymi. Fale te pochłaniają energię orbitalną, przybliżając obiekty do czarnej dziury, zwiększając jego prędkość i skracając okres orbitalny.

W ciągu dwóch lat okres fluktuacji spadł z 18 minut do zaledwie 7 – był to pierwszy w historii pomiar tego rodzaju wokół supermasywnej czarnej dziury. Jeśli był to obiekt orbitujący, to poruszał się on z prędkością równą połowie prędkości światła. Potem stało się coś nieoczekiwanego – okres fluktuacji ustabilizował się.

Na początku byliśmy tym zszokowani – wyjaśniła Masterson. Ale zdaliśmy sobie sprawę, że gdy obiekt zbliżał się do czarnej dziury, jego silne przyciąganie grawitacyjne mogło zacząć usuwać materię z towarzysza. Ta utrata masy mogłaby zrównoważyć energię usuniętą przez fale grawitacyjne, zatrzymując ruch towarzysza do wewnątrz.

Czym więc mógł być ten nowy towarzysz? Mała czarna dziura wpadłaby do środka, a normalna gwiazda szybko zostałaby rozerwana przez siły pływowe w pobliżu monstrualnej czarnej dziury. Zespół odkrył jednak, że biały karzeł o niskiej masie – gwiezdna pozostałość wielkości Ziemi – może pozostać nienaruszony w pobliżu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, jednocześnie zrzucając część swojej materii. Artykuł prowadzony przez Masterson podsumowujący te wyniki ukaże się w czasopiśmie Nature 13 lutego 2025 roku.

Masterson uważa, że model ten przedstawia kluczową prognozę. Jeżeli czarna dziura ma towarzysza w postaci białego karła, wytwarzane przez niego fale grawitacyjne będą wykrywalne przez LISA (Laser Interferometer Space Antenna), misję ESA we współpracy z NASA, której start spodziewany jest w ciągu najbliższej dekady.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
NASA

Vega

Scroll to Top