Galaktyki fascynują ludzi, odkąd w XX wieku dowiedzieliśmy się, czym tak naprawdę są. Okazało się bowiem, że nie są to tylko mgławice we wnętrzu naszej galaktyki, ale są to osobne galaktyki znajdujące się miliardy lat świetlnych od nas, a każda z nich zawiera sobie od kilkuset milionów do nawet biliarda gwiazd. Można zatem powiedzieć, że są to rozsiane po kosmosie wyspy, w których miejsca na powstanie, rozwój i śmierć życia jest przerażająco dużo. Na pierwszy rzut oka jednak galaktyki wyglądają spokojnie, zamrożone w czasie wyglądają jak brylanty mieniące się miliardami różnobarwnych gwiazd. Nic bardziej mylnego. W centrum niemal każdej z nich czai się bowiem głodny potwór. Wiele z tych potworów aktywnie pochłania olbrzymie ilości materii.
Wokół wielu supermasywnych czarnych dziur znajdują się rozległe, gęste i gorące dyski gazu i pyłu, który powoli, po spirali opada na czarną dziurę. Trąc o siebie przy olbrzymich prędkościach, materia ta emituje olbrzymie ilości promieniowania w całym zakresie widma elektromagnetycznego, od promieni gamma i X po światło widzialne, podczerwone i radiowe.
Badanie dysków akrecyjnych może poszerzyć wiedzę astronomów na temat czarnych dziur i ewolucji ich galaktyk macierzystych. Jednak większości dysków akrecyjnych nie da się bezpośrednio sfotografować ze względu na ich ekstremalne odległości od Ziemi i stosunkowo małe rozmiary. Zamiast tego astronomowie wykorzystują widmo światła emitowanego z wnętrza dysku i na tej podstawie pozyskuje informacje o jego rozmiarach i zachowaniu.
Astronomowie pracujący na teleskopie Gemini North jako pierwsi w historii dokonali pierwszego w historii wykrycia dwóch linii emisyjnych w bliskiej podczerwieni w dysku akrecyjnym galaktyki III Zw 002. Pozwoliło to nałożyć nowe ograniczenia na rozmiary samego dysku.
Jak linie emisyjne przenoszą informacje o otoczeniu czarnych dziur?
Linie emisyjne powstają, gdy atom w stanie wzbudzonym spada na niższy poziom energetyczny, emitując przy tym foton. Każdy atom ma unikalny zestaw poziomów energii, emitowane przez niego fotony mają konkretną długość fali, dzięki czemu można zidentyfikować jego źródło. Linie emisyjne zwykle pojawiają się w widmach jako cienkie, ostre kolce.
W dysku akrecyjnym jest jednak inaczej. Gaz znajduje się tam pod wpływem grawitacji supermasywnej czarnej dziury i porusza się z prędkością tysięcy kilometrów na sekundę. W efekcie linie emisyjne rozszerzają się. Obszar dysku akrecyjnego, z którego pochodzą te linie, nazywany jest obszarem szerokich linii.
Gdyby nie Teleskop Horyzontu Zdarzeń o zdjęciach jakichkolwiek dysków akrecyjnych moglibyśmy zapomnieć. Dowody na istnienie dysku akrecyjnego można znaleźć w specyficznym układzie szerokich linii emisyjnych.
Ponieważ dysk się obraca, gaz po jednej stronie oddala się od obserwatora, podczas gdy gaz po drugiej stronie zbliża się do obserwatora. Te względne ruchy rozciągają i ściskają linie emisyjne odpowiednio do dłuższych i krótszych fal. Skutek może być jeden: poszerzona linia z dwoma wyraźnymi szczytami, po jednym pochodzącym z każdej strony szybko wirującego dysku.
Linie te, pochodzące z wewnętrznego obszaru szerokiego obszaru w pobliżu supermasywnej czarnej dziury, nie dostarczają żadnych informacji na temat rozmiarów całego dysku akrecyjnego. Najnowsze obserwacje prowadzone w bliskiej podczerwieni ujawniły obszar zewnętrznego obszaru szerokiej linii, którego nigdy wcześniej nie widziano.
Badaczom z Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais oraz Laboratório Nacional de Astrofísica w Brazylii dokonali pierwszego jednoznacznego wykrycia w bliskiej podczerwieni dwóch profili z dwoma szczytami w obszarze szerokiej linii III Zw 002.
Obserwacje III Zw 002 w świetle widzialnym przeprowadzone w 2003 r. dostarczyły dowodów na istnienie dysku akrecyjnego. W 2021 roku Rodriguez-Ardila i jego zespół postanowili uzupełnić te ustalenia obserwacjami w bliskiej podczerwieni za pomocą instrumentu GNIRS, który jest w stanie obserwować całe widmo bliskiej podczerwieni (800–2500 nm) za jednym razem.
Dzięki temu, że GNIRS jest w stanie prowadzić jednoczesne obserwacje w wielu zakresach promieniowania, zespołowi astronomów udało się uchwycić jedno czyste, konsekwentnie skalibrowane widmo, w którym ujawniono wiele profili z podwójnymi szczytami.
Nie wiedzieliśmy wcześniej, że III Zw 002 ma profil podwójnego piku, ale kiedy zredukowaliśmy dane, bardzo wyraźnie zauważyliśmy podwójny pik. W rzeczywistości wielokrotnie zmniejszaliśmy dane, myśląc, że to może być błąd, ale za każdym razem widzieliśmy ten sam ekscytujący wynik
– mówi Rodriguez-Ardila.
Obserwacje te nie tylko potwierdzają teoretyczną obecność dysku akrecyjnego, ale także pogłębiają wiedzę astronomów na temat obszaru szerokiej linii.
Porównując te obserwacje z istniejącymi modelami dysków, zespół był w stanie wyodrębnić parametry, które zapewniają wyraźniejszy obraz supermasywnej czarnej dziury i obszaru szerokich linii III Zw 002.
Model wskazuje, że linia Paschena-alfa ma swój początek w promieniu 16,77 dni świetlnych (odległość, jaką światło pokonuje w ciągu jednego ziemskiego dnia, mierzona od supermasywnej czarnej dziury), a linia O I ma swój początek w promieniu 18,86 dni świetlnych. Oprócz tego model przewiduje również, że zewnętrzny promień obszaru szerokiej linii wynosi 52,43 dni świetlnych. Szeroki obszar linii III Zw 002 ma kąt nachylenia 18 stopni w stosunku do obserwatorów na Ziemi, a supermasywna czarna dziura w jej centrum ma masę 400–900 milionów razy większą od naszego Słońca.
„To odkrycie daje nam cenny wgląd w strukturę i zachowanie obszaru linii szerokiej w tej konkretnej galaktyce, rzucając światło na fascynujące zjawiska zachodzące wokół supermasywnych czarnych dziur w aktywnych galaktykach” – powiedziała Rodriguez-Ardila.