Tajemnice magnetycznie napędzanych dżetów w supermasywnych czarnych dziurach

dnia 18/06/2016

blackhole

Symulacja silnych dżetów emitowanych przez supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach największych galaktyk tłumaczy dlaczego niektóre rozbłyski świecą niczym latarnie morskie widoczne w całym wszechświecie podczas gdy inne rozpadają się i nigdy nie przebijają się przez halo swojej galaktyki.

Około 10 procent wszystkich galaktyk z aktywnymi jądrami – w których zgrubieniach centralnych spodziewamy się występowania supermasywnych czarnych dziur – charakteryzuje się dżetami gazu emitowanymi w przeciwnych kierunkach, pochodzących z jądra galaktyki. Gorący, zjonizowany gaz jest napędzany przez splątane pola magnetyczne obracającej się czarnej dziury, której masa może sięgać nawet kilku miliardów mas Słońca.

Od 40 lat jednak zagadką było dlaczego niektóre dżety są na tyle silne, że przebijają się z galaktyki do przestrzeni międzygalaktycznej, podczas gdy inne są znacznie węższe i często nie docierają nawet do granic swojej własnej galaktyki. Odpowiedź na to pytanie może rzucić nowe światło na to jak galaktyki i ich centralne czarne dziury ewoluują – ponieważ uważa się, że słabsze dżety wzbudzają galaktykę  i powolne procesy powstawania gwiazd oraz hamują opadanie gazu na czarną dziurę. Model mógłby pomóc astronomom zrozumieć dżety innych typów, jak np. dżety emitowane przez pojedyncze gwiazdy, które rejestrujemy jako rozbłyski promieniowania gamma czy pulsary.

„Podczas gdy stosunkowo łatwo było odtworzyć w symulacjach stabilne dżety, niesamowicie trudnym okazało się wytłumaczenie co sprawia, że dżety się rozpadają,” mówi Aleksander Czekowskoj, astrofizyk teoretyczny z University of California w Berkeley, który kierował projektem badawczym. „Aby wytłumaczyć niestabilność niektórych dżetów, naukowcy uciekali się do rozwiązań mówiących o czerwonych olbrzymach stojących na drodze dżetu, nasycających dżety zbyt dużą ilością gazu, co mogłoby sprawiać, że stają się za ciężkie i niestabilne, co z kolei prowadzi do ich rozpadu.”

Uwzględniając pola magnetyczne, które generują owe dżety, Czekowskoj wraz ze swoim współpracownikiem Omerem Brombergiem z Princeton University odkrył, że niestabilności magnetyczne w dżetach mogą odpowiadać za ich los. Jeżeli dżet nie jest wystarczająco silny, aby przebić się przez otaczający gaz, staje się on wąski (skolimowany) – a to jest kształt podatny na odkształcenia i przerwanie. Gdy tak się dzieje, gorący zjonizowany gaz przenoszony przez pole magnetyczne rozlewa się po całej galaktyce, tworząc powiększający się bąbel gorącego gazu, który stopniowo ogrzewa galaktykę.

 

Silne dżety jednak są znacznie szersze i dzięki temu są w stanie przebić się przez gaz otoczenia aż do ośrodka międzygalaktycznego. Decydującym czynnikiem jest moc dżetu oraz tempo spadania gęstości gazu z odległością, które z kolei zależne jest od masy i promienia jądra galaktyki.

Symulacja, która dobrze zgadza się z danymi obserwacyjnymi, tłumaczy zjawisko zwane morfologiczną dychotomią dżetów Fanaroffa-Rileya po raz pierwszy opisaną przez Berniego Fanaroffa z RPA oraz Julię Riley z Wielkiej Brytanii w 1974 roku.

„Wykazaliśmy, że dżet może się rozpaść bez udziału jakiegokolwiek zewnętrznego czynnika zaburzającego tylko dlatego, że taka jest fizyka dżetów,” mówi Czekowskoj. Wraz z Brombergiem, który aktualnie pracuje na Uniwersytecie Hebrajskim w Jerozolimie, opublikował swoje symulacje 17 czerwca br. w periodyku  Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Linie pola magnetycznego rotującej czarnej dziury oplatają dżet przez nią emitowany niczym sprężyna. Obracające się, nawinięte wokół dżetu linie pola magnetycznego działają niczym elastyczna wiertarka starająca przedostać się przez otaczający gaz.

Symulacja opierająca się wyłącznie na interakcjach między polem magnetycznym a cząsteczkami zjonizowanego gazu wskazuje, że jeżeli dżet nie jest wystarczająco silny, aby przebić się przez gaz, magnetyczna wiertarka ulega wygięciu i rozpada się. Tego typu dżet znajduje się chociażby w galaktyce M87 – to jeden z najbliższych nam dżetów tego typu. Odległość do niego wynosi ok. 50 milionów lat świetlnych, a czarna dziura w centrum tej galaktyki charakteryzuje się masą ok. 6 miliardów mas Słońca.

Czarna dziura w centrum galaktyki M87 emituje słaby dżet, który nie potrafił przebić się przez otaczający go gaz. Zdjęcie wykonane w 1989 roku. Źródło: VLA/NRAO/NSF

Czarna dziura w centrum galaktyki M87 emituje słaby dżet, który nie potrafił przebić się przez otaczający go gaz. Zdjęcie wykonane w 1989 roku. Źródło: VLA/NRAO/NSF

Z kolei dżety emitowane przez galaktykę Cygnus A znajdującą się 600 milionów lat świetlnych od Ziemi są doskonałym przykładem silnych dżetów przebijających się do przestrzeni międzygalaktycznej.

Czekowskoj uważa, że niestabilne dżety odpowiadają za zjawisko, w którym materia wokół czarnej dziury spowalnia „dokarmianie” czarnej dziury i hamuje jej wzrost. Niestabilne dżety wnoszą do galaktyki dużo energii, która podgrzewa gaz i zapobiega jego opadaniu na czarną dziurę. Dżety jak i inne procesy skutecznie utrzymują rozmiary supermasywnych czarnych dziur poniżej 10 miliardów mas Słońca – choć astronomowie z UC w Berkeley odkryli niedawno czarną dziurę o masie bliskiej 21 miliardów mas Słońca.

Najprawdopodobniej tego typu dżety nie są stałe, a naprzemiennie się włączają i wyłączają na okresy trwające 10-100 milionów lat – taki trend widoczny jest na niektórych zdjęciach, gdzie widoczny jest więcej niż jeden dżet, przy czym jeden wygląda na wyraźnie starszy i poszarpany. Najwidoczniej czarne dziury przechodzą przez okresy „wyżerki” przerywane przez okresy emitowania niestabilnych dżetów, które pozbawiają je jedzenia.

Symulacje przeprowadzono na komputerach Savio w UC Berkeley, Darter w National Institute for Computational Sciences na University of Tennessee w Knoxville oraz Stampede, Maverick i Ranch na University of Texas w Austin. Przeprowadzenie całej symulacji wymagało 500 godzin pracy 2000 rdzeni komputerowych – czyli równowartość 1 miliona godzin pracy standardowego laptopa.

Źródło: UC Berkeley

Dodaj komentarz