Czarne dziury z małych galaktyk mogą emitować promienie gamma

Blazary emitują dżety z czarnych dziur w swoich centrach. Źródło: Wikimedia Commons

Ogólna zasada mówi, że jeżeli jakieś zagadkowe zjawisko ma miejsce gdzieś w odległej przestrzeni kosmicznej, to zapewne jakaś czarna dziura ma coś z tym wspólnego.

Tak przynajmniej mówi badacz Vaidehi Paliya z wydziału fizyki i astronomii na Uniwersytecie Clemson, którego artykuł naukowy opublikowany w styczniu w periodyku The Astrophysical Journal Letters zawiera szczegóły odkrycia siedmiu galaktyk, które może potencjalnie wstrząsnąć tym co astrofizycy wiedzą o tym jak rozmiary galaktyki – i czarnej dziury w jej środku – mogą wpływać na jej zachowanie.

Powszechnie uważa się, że tylko masywne galaktyki posiadają wystarczająco dużo energii, aby stać się blazarami, które są fenomenalnymi dżetami promieniowania, wystarczająco silnymi, aby rozciągać się na tysiące lat świetlnych. Jednak najnowsze badania prowadzone przez Paliyę mogą wskazywać, że mniejsze galaktyki także mogą to robić, jeżeli sprzyjają temu warunki.

Istnieją trzy główne typy galaktyk: owalne galaktyki eliptyczne, dyskowe galaktyki spiralne i galaktyki nieregularne, które nie pasują za bardzo do żadnej z tych dwóch klas.

“Galaktyki eliptyczne to najstarsze i najmasywniejsze galaktyki we wszechświecie” mówi Paliya. “Ludzie zakładają, że galaktyki eliptyczne powstają wskutek zderzenia dwóch mniejszych galaktyk, które mieszają się ze sobą tworząc jedną dużą galaktykę eliptyczną. Zazwyczaj, w galaktykach eliptycznych odkrywamy czarne dziury o masie ponad miliarda mas słońca”.

Poprzez swoje naturalne oddziaływanie grawitacyjne, czarne dziury w centrach galaktyk rosną przyciągając i “pożerając” otaczającą ją materię w procesie akrecji.

“To tak jak gdy lejemy wodę do zlewu, widzimy, że tworzy ona spiralę, po której woda spływa do odpływu. W podobny sposób materia tworzy dysk akrecyjny wokół czarnej dziury” mówi Paliya. “W ten sposób czarna dziura szybko się rozrasta stając się prawdziwym potworem”.

Jednak gdy dysk akrecyjny otaczający czarną dziurę zaczyna emitować ekstremalne rozbłyski energii – w zakresie radiowym, podczerwonym i rentgenowskim –  o galaktyce mówi się, że jest “aktywna”, co otwiera pole do nowej klasyfikacji pomijającej kształt.

“Blazary są jednym z kilku typów aktywnych galaktyk” mówi Marco Ajello, profesor fizyki i astronomii i doradca Paliyi. “Są to galaktyki, w których znajdują się supermasywne czarne dziury, a ta czarna dziura – w jakiś sposób – jest w stanie przyspieszać cząstki do prędkości bliskich prędkości światła i utrzymywać je skolimowane w wąskich strumieniach, zwanych dżetami, które stają się bardzo jasnymi źródłami promieniowania kiedy skierowane są w naszą stronę”.

Takie dżety są jednymi z najbardziej ekstremalnych źródeł promieniowania gamma w przestrzeni kosmicznej.

“Takie blazary mają dżety, które przypominają fontannę. Gdybyśmy szukali potężnej fontanny, musielibyśmy u jej podstaw zainstalować wyjątkowo mocny silnik. Blazary muszą posiadać w swoich centrach bardzo masywne czarne dziury, aby były w stanie emitować dżety. Zazwyczaj nie oczekujemy takich silnych dżetów z małych źródeł wielkości naszej galaktyki”.

Droga Mleczna jest galaktyką spiralną z ramionami wypełnionymi gazem i pyłem oraz z jasnym centrum pełnym starych gwiazd. Zazwyczaj galaktyki spiralne są mniej masywne i mniej aktywne niż ich eliptyczne odpowiedniki.

Gdy wyniesiony w 2008 roku w przestrzeń kosmiczną Kosmiczny Teleskop Fermi w ciągu pierwszego roku pracy na orbicie zarejestrował promieniowanie gamma z czterech ramion spiralnych galaktyki fizycy byli zdumieni.

“To było nieoczekiwane – tego typu promieniowanie gamma widzieliśmy dotychczas podczas obserwacji blazarów,” mówi Dieter Hartmann, profesor fizyki i astronomii oraz współautor badania. “Gdy odkryliśmy te cztery źródła, ludzie sugerowali, że mogą to być blazary. Jednak z uwagi na tak małą liczbę źródeł, nie mogliśmy być tego pewni. Wtedy pojawiło się pytanie: czy to naprawdę jest nowy typ źródła czy to jedynie wyjątki od standardu?”

Pytanie pozostawało bez odpowiedzi do czasu gdy współpracownicy Paliyi z Indii nie opublikowali w 2017 roku katalogu aktywnych galaktyk spiralnych.Galaktyki Seyferta to jeszcze jeden typ aktywnych galaktyk ze stosunkowo małomasywnymi czarnymi dziurami w swoim centrum. Niemniej jednak, zamiast emitować gwałtowne rozbłyski promieniowania gamma niczym blazary, galaktyki Seyferta znane są ze swojego ultra silnego promieniowania ultrafioletowego.

Katalog stanowił dla astrofizyków pierwszą szansę odpowiedzenia na pytanie, które w 2008 roku postawił teleskop Fermi. Czy to możliwe, aby galaktyka spiralna emitowała dżety promieniowania gamma?

“Uruchomiłem ten katalog 11 101 galaktyk Seyferta i przeanalizował je w zakresie promieniowania gamma za pomocą teleskopu Large Area Telescope zainstalowanego na pokładzie teleskopu Fermi”mówi Paliya. “Znalazłem tam cztery nowe źródła promieniowania gamma i trzy, które wcześniej uważane były za blazary, a teraz skłaniamy się ku tezie, że to także galaktyki Seyferta”.

To przełomowe odkrycie wskazuje, że nawet mniejsze źródła są w stanie emitować silne dżety promieniowania gamma – a to już istotna zmiana w fundamentach astrofizyki.

“Jeżeli taki dżet jest podobny do tego emitowanego przez blazary, ale źródłem jest mała czarna dziura, to można to przyrównać do samochodu. Załóżmy, że mniejszy samochód jedzie z taką samą prędkością co samochód z dużo większym silnikiem. Zatem silnik w mniejszym samochodzie musiałby być dużo bardziej wydajny” mówi Ajello. “Zatem może być tak, że czarna dziura działa znacznie wydajniej w mniejszych układach spiralnych niż w większych obiektach takich jak blazary”.

Aby zrozumieć eliptyczną/spiralną naturę galaktyk macierzystych tych siedmiu odkrytych źródeł promieniowania gamma, Ajello i Paliya planują uzyskać ich głębokie zdjęcia o najwyższej możliwej rozdzielczości, co stanowi spore wyzwanie dla naziemnych teleskopów optycznych z uwagi na szkodliwy wpływ atmosfery ziemskiej.

“Jeżeli okaże się, że są to galaktyki eliptyczne, to znaczy, że patrzymy tylko na normalny blazar. Być może jest to po prostu mniejsza galaktyka eliptyczna z mniejszą czarną dziurą. Ale jeżeli jest to galaktyka spiralna, to dżety mogą wystepować w dowolnym otoczeniu gdzie jest czarna dziura i pozostaje tylko kwestia określenia warunków pojawienia się dżetów w takich miejscach”.

Źrodło: Clemson University