Naukowcy odkryli wiatr z supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej

Astrofizycy po raz pierwszy odkryli wiatr z supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej. Przełomowe obserwacje zakończyły trwające ponad 50 lat poszukiwania dowodów na istnienie tego zjawiska.

Poszukiwania trwające ponad 50 lat

W ramach nowego badania astrofizycy z Northwestern University odkryli dowody na istnienie potężnego wiatru wiejącego z centralnej supermasywnej czarnej dziury Drogi Mlecznej, znanej jako Sagittarius A* (Sgr A*), którego ślady były poszukiwane od ponad 50 lat. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters.

Jak opisują badacze, zgodnie z fizyką teoretyczną i od dawna przyjmowanym rozumieniem ewolucji galaktyk, gdy czarne dziury pochłaniają materię, powinny wytwarzać wiatr lub dżety. Nawet niewielka ilość gazu wpadającego do tych obiektów powinna generować wystarczająco dużo energii, aby wypychać materię na zewnątrz. Aż do teraz nikt nie potrafił znaleźć tego wiatru emitowanego przez Sgr A*.

Dzięki uzyskaniu najbardziej szczegółowego jak dotąd obrazu tego, jak Sagittarius A* oddziałuje na swoje otoczenie i je przekształca, naukowcy rozwiązali jedną z najdłużej nierozwiązanych zagadek astronomii. Pomaga to również lepiej zrozumieć fizykę zachodzącą w centrum Drogi Mlecznej.

„Jeśli czarna dziura nie istnieje w idealnej próżni, musi w jakiś sposób wytwarzać wiatr. A w kosmosie nie ma idealnej próżni. Dzięki nowym obserwacjom po raz pierwszy mieliśmy wystarczająco czysty obraz, aby zobaczyć ślad tego wiatru” – mówi Mark Gorski z Northwestern University.

„Jako pierwsi pokazaliśmy, że gaz molekularny bardzo blisko czarnej dziury ją zasila. Wiatr nie jest potężny, a jego kierunek prawdopodobnie zmienia się w czasie. Pokazuje to, że nasza czarna dziura nie zachowuje się inaczej niż podobne obiekty” – twierdzi Elena Murchikova z Northwestern University.

Nieuchwytny wiatr w sercu galaktyki

Choć czarne dziury „pochłaniają” wszystko, co znajdzie się zbyt blisko, to nie tylko przyciągają materię, ale również wyrzucają ją na zewnątrz. Od dekad teoretycy przewidywali, że wszystkie aktywnie „żywiące się” obiekty tego rodzaju generują potężne wyrzuty materii.

Gdy materia spiralnie opada w kierunku czarnej dziury, porusza się coraz szybciej – aż osiąga prędkości bliskie prędkości światła. Wytwarza to wystarczająco dużo energii i ciśnienia, by wyrzucić część gorącej, szybko poruszającej się materii na zewnątrz w postaci wiatrów lub dżetów.

Choć astronomowie dostrzegli ślady dawnych erupcji Sgr A*, mieli trudności z wykryciem obecnie występujących wyrzutów. Astrofizycy uważają, że dzieje się tak dlatego, iż Sgr A* znajduje się obecnie w spokojniejszej fazie i po prostu bardzo trudno je dostrzec.

„Aby obserwować naszą własną czarną dziurę, musimy patrzeć przez płaszczyznę naszej galaktyki. To oznacza, że musimy patrzeć przez gaz, pył i zjonizowane struktury, co utrudnia obserwacje” – podkreśla Elena Murchikova.

Kosmiczna pustka

W ramach nowego badania, dzięki nowym narzędziom i obserwacjom, naukowcom udało się dokładniej przyjrzeć centralnemu regionowi Drogi Mlecznej. Korzystając z pięciu lat wyjątkowo głębokich obserwacji radioteleskopów ALMA w Chile, stworzyli najostrzejszy obraz zimnego gazu molekularnego otaczającego czarną dziurę.

Obraz przedstawiał gaz znajdujący się niezwykle blisko Sagittariusa A* – w odległości zaledwie jednego parseka (około trzech lat świetlnych) od czarnej dziury. Następnie badacze usunęli jasne sygnały radiowe emitowane przez czarną dziurę. Uzyskany obraz był 100 razy głębszy i 80 razy ostrzejszy niż wcześniejsze mapy tego regionu. Dzięki takiemu poziomowi szczegółowości udało im się ujawnić struktury całkowicie niewidoczne w poprzednich obserwacjach.

Astrofizykom udało się odkryć niezwykłą nową strukturę – ogromną pustkę w kształcie stożka, mającą niemal jeden parsek długości – która była całkowicie pozbawiona zimnego gazu molekularnego. Zdaniem badaczy tylko gorący, energetyczny wiatr wiejący z Sgr A* mógł stworzyć tego rodzaju obszar. Jak wskazują naukowcy, gorący wiatr albo usuwa zimny gaz, albo go ogrzewa.

„Jeśli z czarnej dziury wydmuchiwany jest gorący materiał, nie będzie on współistniał z zimnym. Albo wypchnie zimny materiał, albo go ogrzeje. A jeśli będzie zbyt gorący, nie zobaczymy już zimnego gazu” – tłumaczy Mark Gorski.

Dodatkowe dowody

Choć gwiazdy również generują wiatry, nie są one wystarczająco silne, by wyrzeźbić odkryty obszar z racji jego wielkości. Zdaniem badaczy nawet łączna moc wszystkich pobliskich gwiazd byłaby niewystarczająca.

„To ogromny brak materii. Obliczyliśmy, ile energii potrzeba było do stworzenia tej pustki. To więcej, niż mogą dostarczyć gwiazdy w tym rejonie. Musiał istnieć wkład ze strony supermasywnej czarnej dziury. A jeśli prześledzić kształt stożka, wskazuje on bezpośrednio na czarną dziurę” – podkreśla Mark Gorski.

Astrofizycy przeanalizowali dodatkowe dane, aby potwierdzić swoje wyniki. Obserwatorium Chandra X-ray Observatory wykryło wcześniej jasne promieniowanie rentgenowskie dokładnie w tym samym obszarze. A w miejscu, gdzie je zaobserwowano, obecny był wydrążony obszar w kształcie stożka, w którym brakowało zimnego gazu.

„Chcieliśmy mieć pewność, że nie patrzymy po prostu na jakiś artefakt obrazowania. A potem obraz rentgenowski z Chandry idealnie się dopasował. Struktury molekularne pokrywały się” – wskazuje Mark Gorski.

Spokojna faza życia supermasywnej czarnej dziury

Na podstawie tego, jak daleko skutki wiatru rozciągają się w pobliski strumień zjonizowanego gazu, astrofizycy oszacowali, że jest on aktywny od co najmniej 20 tysięcy lat. Odkrycie potwierdza również, że Sagittarius A* jest stosunkowo spokojna w porównaniu z centralnymi supermasywnymi czarnymi dziurami w innych galaktykach.

„Większość galaktyk spędza dużą część swojego życia w stanie, w którym nie są szczególnie aktywne. Obserwujemy je najczęściej, gdy znajdują się w fazie aktywnej. Badanie czarnych dziur w takiej fazie jest bardzo interesujące, ale to nie jest ich dominujący stan. Sgr A* wreszcie pozwala nam lepiej poznać ten spokojny stan” – podsumowuje Elena Murchikova.

Emil Gołoś