Pyłowa niespodzianka wokół gigantycznej czarnej dziury

Artystyczna wizja otoczenia supermasywnej czarnej dziury w galaktyce aktywnej NGC 3783
Artystyczna wizja otoczenia supermasywnej czarnej dziury w galaktyce aktywnej NGC 3783.
ESO/M. Kornmesser

Należący do ESO interferometr Bardzo Dużego Teleskopu (VLTI) zebrał najdokładniejsze jak dotąd obserwacje pyłu wokół olbrzymiej czarnej dziury w centrum galaktyki aktywnej. Zamiast, jak przypuszczano, pyłu rozmieszczonego w torusie o kształcie ciastka, astronomowie odkryli, że większość pyłu znajduje się ponad i poniżej torusa. Uzyskane obserwacje pokazują, że pył jest odsuwany od czarnej dziury jako chłodny wiatr – zaskakujące odkrycie, które stawia wyzwanie obecnym teoriom i wskazuje w jaki sposób supermasywne czarne dziury ewoluują i oddziałują ze swoim otoczeniem.

W ciągu ostatnich dwudziestu lat astronomowie stwierdzili, że prawie wszystkie galaktyki posiadają wielką czarną dziurę w swoim centrum. Niektóry z tych czarnych dziur rosną poprzez zbieranie materii ze swojego otoczenia, tworząc najbardziej energetyczne obiekty we Wszechświecie: aktywne jądra galaktyk (AGN - active galactic nuclei). Centralne obszary tych jasnych „elektrowni” są otoczone przez torusy kosmicznego pyłu [1] zebranego z otaczającej przestrzeni, podobnie jak w wodzie tworzy się mały wir wokół otworu odpływowego umywalki lub wanny. Do tej pory uważano, że większość silnego promieniowania podczerwonego pochodzącego od AGN-ów wytwarzane jest w torusach.

Jednak nowe obserwacje pobliskiej galaktyki aktywnej NGC 3783, wykorzystujące moc interferometru VLTI w Obserwatorium ESO Paranal w Chile [2], zaskoczyły zespół astronomów. Gorący pył – o temperaturze pomiędzy 700, a 1000 stopni Celsjusza – rzeczywiście znajduje się w torusie, tak jak oczekiwano, ale naukowcy znaleźli wielkie ilości chłodniejszego pyłu ponad i poniżej głównego torusa [3].

Jak wyjaśnia Sebastian Hönig (University of California Santa Barbara, USA oraz Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Niemcy), pierwszy autor publikacji prezentującej wyniki: „Po raz pierwszy byliśmy w stanie połączyć dokładne obserwacje w średniej podczerwieni dotyczące chłodnego pyłu (o temperaturze pokojowej) wokół AGN-u, z podobnie szczegółowymi obserwacjami bardzo gorącego pyłu. Nasz zestaw stanowi także największy opublikowany do tej pory zbiór danych interferometrii podczerwonej dla AGN-ów.”

Nowo odkryty pył tworzy chłodny wiatr wiejący w kierunku zewnętrznym od czarnej dziury. Musi on odgrywać ważną rolę w złożonym związku pomiędzy czarną dziurą, a jej otoczeniem. Czarna dziura zaspokaja swój nienasycony apetyt pochłaniając otaczającą materię, ale intensywne promieniowanie, powstające w trakcie tego procesu, wydaje się odsuwać materię od czarnej dziury. Ciągle pozostaje niejasne w jaki sposób oba procesy współgrają ze sobą i pozwalają supermasywnym czarnym dziurom na wzrost i ewolucję w galaktykach. Istnienie pyłowego wiatru dodaje nowy element do tej układanki.

Aby zbadać centralne obszary NGC 3783 astronomowie potrzebowali połączonej mocy głównych teleskopów Bardzo Dużego Teleskopu (VLT), należącego do ESO. Gdy teleskopów użyje się razem, powstaje interferometr, który pozwala na uzyskiwanie zdolności rozdzielczej odpowiadającej teleskopowi o średnicy 130 metrów.

Inny członek zespołu, Gerd Weigelt (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Germany), wyjaśnia: „Łącząc światowej klasy czułość czterech wielkich zwierciadeł VLT z interferometrią, jesteśmy w stanie zebrać wystarczająco dużo światła do obserwacji słabych obiektów. Pozwala to nam na badania obszaru tak małego, jak odległość od Słońca do najbliższej mu gwiazdy, w galaktyce znajdującej się dziesiątki milionów lat świetlnych od nas. Żaden inny system optyczny lub podczerwony na świecie nie jest aktualnie w stanie tego osiągnąć.”

Nowe obserwacje mogą doprowadzić do zmiany paradygmatu w rozumieniu AGN-ów. Są bezpośrednim dowodem, że pył jest odpychany przez intensywne promieniowanie. Modele rozmieszczenia pyłu oraz wzrostu i ewolucji supermasywnych czarnych dziur muszą teraz uwzględnić nowo odkryty efekt.

Hönig podsumowuje, “Teraz naprawdę czekam na MATISSE, który pozwoli nam połączyć wszystkie cztery główne teleskopy VLT i obserwować jednocześnie w bliskiej i średniej podczerwienie – dając nam znacznie dokładniejsze dane.” MATISSE, instrument drugiej generacji dla VLTI, jest obecnie w trakcie konstrukcji.

Uwagi

[1] Kosmiczny pył składa się z ziaren krzemianu i grafitu – minerałów występujących także na Ziemi. Sadza ze świecy jest bardzo podobna do kosmicznego pyłu grafitowego, chociaż rozmiar ziaren w sadzy jest dziesięć lub więcej razy większy niż typowy rozmiar ziaren pyłu w kosmosie.

[2] VLTI powstaje w wyniku połączenia czterech 8,2-metrowych teleskopów głównych VLT, albo czterech ruchomych 1,8-metrowych teleskopów pomocniczych VLT. Wykorzystywana jest technika znana jako interferometria, w której skomplikowane instrumenty łączą światło z kilku teleskopów. Mimo, że zwykle nie tworzy rzeczywistych obrazów, technika ta znacznie zwiększa poziom szczegółów w uzyskanych obserwacjach, który jest porównywalny z tym co mierzyłby teleskop kosmiczny o średnicy 100 metrów.

[3] mapa gorętszego pyłu została wykonana za pomocą instrumentu AMBER na VLTI w bliskiej podczerwieni, a opisywane tutaj nowe obserwacje, korzystały z instrumentu MIDI dla fal od 8 do 13 mikronów w średniej podczerwieni.

Więcej informacji

Wyniki badań zaprezentowano w artykule pt. “Dust in the Polar Region as a Major Contributor to the Infrared Emission of Active Galactic Nuclei”, S. Hönig et al., który ukaże się 20 czerwca 2013 r. w Astrophysical Journal.

Skład zespołu badawczego: S. F. Hönig (University of California in Santa Barbara, USA [UCSB]; Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Niemcy), M. Kishimoto (Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Bonn, Niemcy [MPIfR]), K. R. W. Tristram (MPIfR), M. A. Prieto (Instituto de Astrofísica de Canarias, Teneryfa, Hiszpania), P. Gandhi (Institute of Space and Astronautical Science, Kanawaga, Japonia; University of Durham, Wielka Brytania), D. Asmus (MPIfR), R. Antonucci (UCSB), L. Burtscher (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik, Garching, Niemcy), W. J. Duschl (Institut für Theoretische Physik und Astrophysik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Niemcy) oraz G. Weigelt (MPIfR).

Źródło: ESO | Tłumaczenie: Krzysztof Czart

Liczba odsłon: 2532