Astronomowie dowiedzieli się w jaki sposób czarne dziury emitują dżety plazmy

Astronomowie odkryli kluczowe warunki potrzebne, aby gwiazdowa czarna dziura mogła emitować w przestrzeń kosmiczna dżety plazmy, czyli wiązki zjonizowanego gazu.

Jak tłumaczą naukowcy czarne dziury są niezwykle ważne dla utrzymania struktury galaktyk i są kluczowe dla zrozumienia przez badaczy grawitacji, przestrzeni i czasu. Gwiazdowa czarna dziura to rodzaj czarnej dziury, która powstaje w wyniku grawitacyjnego zapadnięcia się masywnej gwiazdy pod koniec jej cyklu życia. Takie obiekty mają zazwyczaj masę od trzech do dwudziestu razy większą od masy Słońca.

Czasami czarne dziury generują wiązki zjonizowanego gazu (plazmy), które wystrzeliwują w przestrzeń z prędkością bliską prędkości światła. Chociaż odkryto je ponad sto lat temu, sposób i przyczyna powstawania dżetów pozostawało tajemnicą.

Astronomowie z Nagoya University i University of Toyama, pod kierownictwem Kazutaka Yamaoka, odkryli kluczowe warunki potrzebne, aby gwiazdowe czarne dziury mogły wytworzyć dżety plazmy. Badanie opublikowane w czasopiśmie Publications of the Astronomical Society of Japan, wskazuje, że gdy przegrzany materiał gazowy gwałtownie kurczy się w kierunku czarnej dziury, dochodzi do formowania się strumieni zjonizowanego gazu.

Zrozumienie wyrzutu dżetów z czarnych dziur, zdaniem naukowców jest niezwykle ważne, ponieważ rzuca światło na ewolucję galaktyk, dystrybucję energii we Wszechświecie i właściwości samych tych niezwykle gęstych obiektów. Dżety plazmy wpływają na formowanie się gwiazd, rozprowadzają energię na ogromne odległości. Ponadto zapewniają wgląd w fizykę samych czarnych dziur.

Materiał taki jak pył i gaz, jest przyciągany w kierunku czarnych dziur z powodu ich silnej grawitacji. Następnie obraca się on wokół obiektu w cienkim dysku, zwanym dyskiem akrecyjnym, który jest niezbędny, aby powstały dżety plazmy.

Naukowcy zbadali układ składający się z gwiazdowej czarnej dziury i gwiazdy podobnej do Słońca krążących wokół siebie. Występuje w nim pięć lub sześć dżetów w okresie co około 20 dni, co czyniło go idealnym do badania tego zjawiska. Analizując dane z obserwacji rentgenowskich i radiowych z lat 1999-2000, astronomowie byli w stanie śledzić, jak szybko emisje rentgenowskie w pobliżu czarnej dziury zmieniały się w czasie i zmierzyć całkowitą ilość energii wytwarzanej przez dżety plazmy.

Wyniki pokazały, że strumienie zjonizowanego gazu pojawiały się, gdy wewnętrzny promień dysku akrecyjnego nagle malał i osiągał najbardziej wewnętrzną stabilną orbitę kołową (innermost stable circular orbit –  ISCO), najbliższą, jaką materia może osiągnąć bez wpadania do środka.

Badacze zaobserwowali, że początkowo wewnętrzny promień dysku gazowego znajdował się dalej od czarnej dziury. Gdy gwałtownie się kurczy i osiąga ISCO, następowała emisja dżetu. Trwał on przez pewien czas, jednak, gdy ruch kurczenia się wewnętrznej krawędzi dysku akrecyjnego zatrzymywał się, strumień też ustawał.

Na tej podstawie astronomowie zidentyfikowali dwa kluczowe warunki potrzebne do tego, aby gwiazowa czarna dziura wyemitowała dżety plazmy – wewnętrzna krawędź dysku gazowego otaczającego obiekt musi szybko zbliżać się do czarnej dziury i ruch ten musi osiągnąć ISCO.

Badanie wskazuje, że dżety tworzą się w zmiennych, dynamicznych warunkach, a nie w stabilnych i statycznych, jak zakładało wiele modeli teoretycznych. Teraz naukowcy mogą lepiej przewidywać ich występowanie i badać mechanizmy stojące za nimi w czasie rzeczywistym.

Emil Gołoś