Czarne dziury transportują materię w kosmiczną pustkę

dnia 25/02/2016
dm_slice

Przekrój sześcianu będący wynikiem symulacji Illustris. Wskazuje na rozkład ciemnej materii w sześcianie o boku długości 350 milionów lat świetlnych i grubości 300 000 lat świetlnych. Galaktyki znajdują się w małych, białych, gęsto upakowanych kropkach. Źródło: Markus Haider / Illustris

Żyjemy we Wszechświecie zdominowanym przez niewidoczną materię, a w największych skalach galaktyki i wszystko co się w nich znajduje  skoncentrowane są we włóknach, które rozciągają się na krawędziach rozległych obszarów pustki. Dotychczas uważano, że owe obszary były praktycznie puste, jednak teraz grupa astronomów z Austrii, Niemiec i USA uważa, że owe ciemne dziury zawierają nawet 20% normalnej materii we Wszechświecie, a galaktyki zajmują zaledwie 1/500 objętości Wszechświata. Zespół pracujący pod kierownictwem dr Markusa Haidera z Institute of Astro- and Particle Physics na University of Innsbruck w Austrii opublikował wyniki swoich badań w periodyku Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Przyglądając się kosmicznemu promieniowaniu tła (CMB) współczesne obserwatoria kosmiczne takie jak COBE, WMAP oraz Planck stopniowo precyzowały nasze rozumienie składu wszechświata, a najnowsze pomiary wskazują, że składa się on w 4.9% ‚normalnej’ materii (tj. materii z której składają się gwiazdy, planety, gaz i pył) czyli materii barionowej podczas gdy 26.8% to tajemnicza i niewidzialna ciemna materia, a 68.3% to nawet bardziej tajemnicza ciemna energia.

Te same dane lecz tym razem przedstawiające rozkład normalnej (barionowej) materii. Źródło: Markus Haider / Illustris

Te same dane lecz tym razem przedstawiające rozkład normalnej (barionowej) materii. Źródło: Markus Haider / Illustris

W uzupełnieniu tych misji, naziemne obserwatoria stworzyły mapy położenia galaktyk, i pośrednio, związanej z nimi ciemnej materii, wskazując, że ułożone są one w włóknach tworzących swego rodzaju kosmiczną sieć. Haider wraz ze swoim zespołem przyjrzał się tym obserwacjom bardziej szczegółowo wykorzystując dane z projektu Illustris, obszernej komputerowej symulacji ewolucji i formowania się galaktyk. Celem symulacji było zmierzenie masy i objętości włókien i galaktyk się w nich znajdujących.

W ramach symulacji Illustris stworzono sześcian przestrzeni we Wszechświecie o boku długości 350 milionów lat świetlnych. Symulacja rozpoczyna się gdy Wszechświat miał zaledwie 12 milionów lat, czyli niewielką część obecnego wieku, i bada jak z czasem grawitacja i przepływ materii zmienia strukturę Wszechświata do dnia dzisiejszego. Symulacja przy obliczeniach uwzględnia zarówno materię normalną jak i ciemną – dlatego jednym z najważniejszych efektów w niej obserwowanych jest oddziaływanie grawitacyjne ciemnej materii.

Gdy naukowcy przyjrzeli się danym, odkryli, że około 50% całkowitej masy we Wszechświecie znajduje się w miejscach, w których znajdują się galaktyki i ściśnięte jest do 0.2% objętości wszechświata, 44% znajduje się w pozostałych częściach włókien. Zaledwie 6% znajduje się w obszarach pustki, które jednocześnie zajmują 80% objętości.

Jednak zespół Haidera odkrył także, że zaskakująca część normalnej materii – 20% – może być transportowana z włókien do obszarów pustki. Odpowiedzialne za to mogą być super-masywne czarne dziury w centrach galaktyk. Część materii opadającej na czarną dziurę zamieniana jest na energię. Owa energia przekazywana jest do otaczającego czarną dziurę gazu  i prowadzi do intensywnego odpływu materii, który rozciąga się na setki tysięcy lat świetlnych od czarnej dziury, daleko poza galaktykę macierzystą.

Oprócz wypełniania obszarów pustki większą ilością materii niż uważano, wynik ten może odpowiadać za problem ‚brakującej materii barionowej’ czyli problem, z którym zmagają się astronomowie nie widząc tyle materii barionowej co przewidują modele (de facto wczoraj ten sam problem został poruszony przez naukowców obserwujących szybkie błyski radiowe – pisaliśmy o tym tutaj: KLIKNIJ).

Dr Haider komentując powiedział: „Ta symulacja, jedna z najbardziej skomplikowanych w historii, wskazuje, że czarne dziury znajdujące się w centrach galaktyk pozwalają emitować materię do najbardziej pustych miejsc we Wszechświecie. Teraz chcielibyśmy doprecyzować nasz model i potwierdzić te wstępne wyniki.”

W ramach projektu Illustris aktualnie prowadzone są nowe symulacje, których wyniki powinny być dostępne w ciągu kilku miesięcy.  Trudno będzie jednak dostrzec tą materię w obszarach pustki, bowiem najprawdopodobniej będzie bardzo rzadka i zbyt chłodna, aby emitować promieniowanie rentgenowskie, które pozwoliłoby na jej odkrycie przez obserwatoria znajdujące się na orbicie.

Źródło: MNRAS / University of Innsbruck