Dane z obserwatorium rentgenowskiego XMM-Newton pozwalają naukowcom określić jak supermasywne czarne dziury kształtują swoje galaktyki macierzyste za pomocą silnych wiatrów wywiewających materię międzygwiezdną.
W ramach najnowszych badań, naukowcy przeanalizowali osiem lat obserwacji za pomocą XMM-Newton czarnej dziury znajdującej się w jądrze aktywnej galaktyki PG 1114+445, wskazując jak ultra-szybkie wiatry – wypływy gazu emitowanego z dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę – oddziałują z materią międzygwiezdną wypełniającą centralne części galaktyki. Owe wypływy obserwowano już wcześniej, ale nowe badania wyraźnie identyfikują, po raz pierwszy, trzy fazy ich oddziaływania z galaktyką macierzystą.
„Owe wiatry mogą tłumaczyć pewne zaskakujące korelacje, o których naukowcy wiedzą od lat, ale dotąd nie potrafili wyjaśnić” mówi Roberto Serafinelli, główny autor opracowania z National Institute of Astrophysics w Mediolanie, który przeprowadził większość swojej pracy w ramach doktoratu na Uniwersytecie w Rzymie.
„Przykładowo, widzimy związek między masami supermasywnych czarnych dziur i dyspersją prędkości gwiazd w wewnętrznych częściach galaktyk macierzystych. Nie ma żadnej możliwości, aby przyczyną było grawitacyjne oddziaływanie czarnej dziury. Nasze badania po raz pierwszy pokazują jak owe wiatry czarnych dziur wpływają na galaktykę w większej skali”.
Astronomowie wcześniej wykryli dwa typy wypływów w widmie rentgenowskim promieniowania emitowanego przez aktywne jądra galaktyczne, gęste centralne regiony galaktyk zawierających supermasywne czarne dziury. Tak zwane ultra-szybkie wypływy (UFO, ang. ultra-fast outflow) wysoko zjonizowanego gazu, przemieszczają się z prędkościami do 40 procent prędkości światła i obserwowane są w bezpośrednim otoczeniu centralnej czarnej dziury.
Wolniejsze wypływy, tak zwane ciepłe pochłaniacze, przemieszczają się znacznie wolniej, z prędkością kilkuset kilometrów na sekundę i fizycznie – pod względem gęstości i zjonizowania – przypominają bardziej materię międzygwiezdną. Te wolniejsze wypływy obserwowane są w większych odległościach od centrum galaktyki.
W ramach najnowszych badań, naukowcy opisali także trzeci typ wypływów, który łączy cechy obu poprzednich – charakteryzują się one prędkościami UFO i fizycznymi właściwościami ciepłych pochłaniaczy.
„Uważamy, że jest to punkt, w którym UFO styka się z materią międzygwiezdną i wywiewa ją niczym pług” mówi Serafinelli. „To w tym momencie UFO zaczyna wnikać w materię międzygwiezdną. Przypomina to wiatr, który uderza w żagle na morzu”.
Do tego zderzenia dochodzi w odległości od kilkudziesięciu do kilkuset lat świetlnych od czarnej dziury. UFO stopniowo wypycha materię międzygwiezdną z centralnych rejonów galaktyki, oczyszczając je z gazu i spowalniając akrecję materii na supermasywną czarną dziurę.
Choć modele przewidywały tego typu interakcje już wcześniej, opisywane badania są pierwszymi, które przedstawiają obserwacje wszystkich trzech faz.
„W danych z XMM-Newton widzimy materię w większej odległości od centrum galaktyki, która nie została jeszcze zaburzona przez UFO z centrum galaktyki” mówi współautor opracowania Francesco Tombesi z Goddard Space Flight Center. „Widzimy także obłoki bliżej czarnej dziury, blisko jądra galaktyki, w których UFO zaczyna oddziaływać z materią międzygwiezdną”.
Do pierwszych oddziaływań dochodzi wiele lat po tym jak UFO opuszcza otoczenie czarnej dziury. Ale energia UFO umożliwia stosunkowo małej czarnej dziurze wpływ na materię znajdującą się daleko poza jej oddziaływaniem grawitacyjnym.
Według naukowców, supermasywne czarne dziury przenoszą swoją energię do otaczającego je środowiska właśnie przez takie wypływy, stopniowo oczyszczając centralne rejony galaktyki z gazu, co może prowadzić do zatrzymania procesów gwiazdotwórczych. W rzeczywistości, galaktyki dzisiaj produkują znacznie mniej gwiazd niż robiły to na wczesnych etapach swojej ewolucji”.
„To już szósty raz kiedy nam udało się wykryć takie wypływy” mówi Serafinelli. „To zupełnie nowa dziedzina nauki. Te trzy fazy wypływów wcześniej były obserwowane oddzielnie, ale związek między nimi nie był nam znany do teraz”.
Niezrównana rozdzielczość energetyczna XMM-Newton była kluczem do rozróżnienia tych trzech typów wypływów. W przyszłości, nowe i silniejsze obserwatoria, takie jak planowane przez ESA obserwatorium Athena (Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics) będą w stanie obserwować setki tysięcy supermasywnych czarnych dziur, odkrywając takie wypływy dużo łatwiej. Athena, która będzie ponad 100 razy bardziej czuła niż XMM-Newton. Jej start planuje się na początek lat trzydziestych.
„Odkrycie jednego takiego źródła jest fantastyczne, ale świadomość, że to zjawisko powszechnie występuje we wszechświecie, byłaby prawdziwym przełomem” mówi Norbert Schartel, naukowiec projektu XMM-Newton z ESA. „Nawet za pomocą XMM-Newton będziemy w stanie znaleźć więcej takich źródeł w nadchodzącej dekadzie”.
Źródło: ESA