Astronomowie zarejestrowali moment wyrzucenia gorącej materii z prędkością bliską prędkości światła z okolic czarnej dziury. Rozbłysk został zarejestrowany za pomocą Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra.

Czarna dziura i towarzysząca jej gwiazda tworzą układ o nazwie MAXI J1820 + 070, zlokalizowany w naszej galaktyce około 10 000 lat świetlnych od Ziemi. Czarna dziura w MAXI J1820 + 070 ma masę około ośmiokrotnie większą od Słońca, co oznacza, że należy do klasy czarnych dziur o masie gwiazdowej i powstała w momencie eksplozji masywnej gwiazdy. (W przeciwieństwie do supermasywnych czarnych dziur, które zawierają miliony lub miliardy razy więcej niż masa Słońca).

Towarzysząca jej gwiazda ma około połowę masy Słońca. Silna grawitacja czarnej dziury odziera gwiazdę z materii, która opadając na czarną dziurę układa się w dysk emitujący promieniowanie rentgenowskie.

Podczas gdy część gorącego gazu tworzącego dysk przekroczy „horyzont zdarzeń” (punkt bez powrotu) i wpadnie do czarnej dziury, część gazu zostanie zamiast tego wystrzelona z okolic czarnej dziury w formie dżetu, wąskiej wiązki materii oddalającej się od czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła. Owe dżety (zawsze występują w parach) skierowane są w przeciwnych kierunkach, mają swój początek poza horyzontem zdarzeń i układają się wzdłuż linii pola magnetycznego. Najnowsze nagranie zachowania tej czarnej dziury oparty jest na czterech obserwacjach uzyskanych za pomocą obserwatorium Chandrą w listopadzie 2018 r. oraz w lutym, maju i czerwcu 2019 r.

Główny elementem grafiki na początku tekstu jest rozległy obraz Drogi Mlecznej zarejestrowany w zakresie optycznym i podczerwonym za pomocą teleskopu PanSTARRS na Hawajach. Krzyżem zaznaczono lokalizację MAXI J1820 + 070 nad płaszczyzną galaktyki. Wstawka na grafice przedstawia nagranie składające się z czterech obserwacji prowadzonych za pomocą Chandry. Pierwsze obserwacje (day 0) wykonano 13 listopada 2018 r., w cztery miesiące po wystrzeleniu dżetu. MAXI J1820 + 070 jest tym jasnym źródłem promieniowania rentgenowskiego na środku zdjęcia, na zdjęciu widać także źródła promieniowania rentgenowskiego oddalające się od czarnej dziury pod postacią dżetów skierowanych na północ i południe. MAXI J1820 + 070 jest punktowym źródłem promieniowania rentgenowskiego, chociaż wydaje się być większe niż źródło punktowe, ponieważ jest znacznie jaśniejsze od dżetów. Południowy dżet jest zbyt słaby, aby można go było wykryć w obserwacjach z maja i czerwca 2019 r.

Jak szybko dżety materii oddalają się od czarnej dziury? Z perspektywy Ziemi wygląda to tak, jakby północny dżet poruszał się z prędkością 60% prędkości światła, podczas gdy południowy z prędkością 160% prędkości światła!

Jest to przykład ruchu nadświetlnego, zjawiska, które występuje, gdy coś zbliża się do nas z prędkością światła, w kierunku bliskim naszej linii wzroku. Oznacza to, że obiekt przemieszcza się w naszą stronę niemal tak szybko, jak światło, które wytwarza, co daje złudzenie, że ruch dżetu jest szybszy niż prędkość światła. W przypadku MAXI J1820 + 070 południowy dżet skierowany jest w naszą stronę, a północny skierowany jest od nas, więc południowy porusza się szybciej niż północny. Rzeczywista prędkość cząstek w obu strumieniach jest większa niż 80% prędkości światła.

Tylko dwa inne przykłady takich szybkich emisji materii z czarnych dziur o masie gwiazdowej zarejestrowano w zakresie rentgenowskim.

MAXI J1820 + 070 został również zaobserwowany na falach radiowych przez zespół kierowany przez Joe Brighta z University of Oxford, który wcześniej poinformował o wykryciu ruchu nadświetlnego źródeł kompaktowych na podstawie samych danych radiowych, których zapis rozciągał się od dnia wystrzelenia dżetu 7 lipca 2018 do końca 2018 r.

Ilustracja przedstawia czarną dziurę zasysającą materię z towarzyszącej jej gwiazdy

Ponieważ obserwacje Chandry w przybliżeniu podwoiły czas obserwacji dżetów, połączona analiza danych radiowych i nowych danych z Chandry autorstwa Espinasse i jej zespołu dostarczyła więcej informacji na ich temat. Badacze dowiedli między innymi, że dżety zwalniają, gdy oddalają się od czarnej dziury.

Większość energii w dżetach nie jest przekształcana w promieniowanie, lecz jest uwalniana, gdy cząstki dżetu oddziałują z materią otoczenia. Takie interakcje mogą być przyczyną zwalniania dżetów. Kiedy zderzają się one z otaczającą materią w przestrzeni międzygwiezdnej, pojawiają się fale uderzeniowe. Proces ten generuje energie cząstek wyższe od energii uzyskiwanych w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Naukowcy szacują, że w tych dwóch dżetach wystrzelonych z otoczenia czarnej dziury w lipcu 2018 r. wyrzucono materię o masie 200 bilionów ton. Ta masa jest porównywalna z tym, co można zgromadzić w dysku otaczającym czarną dziurę na przestrzeni kilku godzin i jest to równowartość około tysiąca komet Halleya.

Badania MAXI J1820 + 070 i podobnych systemów mogą powiedzieć nam więcej o dżetach emitowanych z otoczenia czarnych dziur o masie gwiazdowej oraz o tym, jak uwalniają one swoją energię, gdy dżety wchodzą w interakcję z otoczeniem.

Obserwacje radiowe przeprowadzone za pomocą sieci Very Large Array Karla G. Jansky’ego oraz sieci MeerKAT zostały również wykorzystane do zbadania dżetów MAXI J1820+070.

Artykuł opisujący odkrycie został opublikowany w najnowszym wydaniu periodyku The Astrophysical Journal.

By Radek Kosarzycki

Popularyzator astronomii. Redaktor w Spider's Web.