Jak supermasywne czarne dziury pozyskują materię?

Dzięki obserwacjom wykonanym przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba astronomowie po raz pierwszy dokładnie prześledzili przepływ gazu do centrum odległej galaktyki. Wyniki badań pomagają wyjaśnić, jak supermasywne czarne dziury pozyskują materię i w jaki sposób rosną.

Astronomowie zbadali przepływ materii do centrum galaktyki

W ramach nowego badania naukowcy pod kierownictwem astronomów z Université de Montréal, dzięki nowym obrazom z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, przyjrzeli się bliżej temu, w jaki sposób supermasywne czarne dziury pozyskują materię. Dane przedstawiały najdokładniejszy jak dotąd widok gazowych włókien łączących gorącą atmosferę galaktyki z wirującym dyskiem materii zasilającym jej centralny niezwykle gęsty obiekt. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „The Astrophysical Journal Letters”.

Jak supermasywne czarne dziury pozyskują materię

Jak opisują badacze, niemal każda duża galaktyka we Wszechświecie ma w swoim centrum supermasywną czarną dziurę (SMBH), której masa jest od milionów do miliardów razy większa od masy Słońca. Gdy takie obiekty aktywnie pochłaniają otaczającą je materię, wyrzucają również potężne dżety energii. Strumienie te mogą kształtować całą galaktykę, spowalniać narodziny nowych gwiazd i wpływać na jej dalszą ewolucję. Astronomowie określają takie obiekty mianem aktywnych jąder galaktycznych (AGN – active galactic nuclei).

Naukowcy nie wiedzą, jak możliwe jest to, że obiekty te mogą „odżywiać się” i rosnąć, jeśli dżety AGN ogrzewają otaczający gaz, co powinno teoretycznie odcinać czarnej dziurze dopływ materii. Najbardziej prawdopodobna hipoteza zakłada, że gaz z czasem ochładza się, kondensuje w długie, cienkie włókna i opada z powrotem w kierunku centrum galaktyki w samoregulującym się procesie.

Teleskop Webba przyjrzał się galaktyce NGC 4696

Aby sprawdzić to założenie, astronomowie skierowali Teleskop Webba na galaktykę NGC 4696 – centralną galaktykę Gromady w Centaurze, gęstej grupy galaktyk oddalonej o około 145 milionów lat świetlnych od Ziemi. Zdaniem naukowców było to jedno z najlepszych miejsc do badania mechanizmów działania aktywnych jąder galaktyk.

Podczas niemal ośmiu godzin obserwacji z wykorzystaniem instrumentu NIRSpec teleskopu astronomowie opracowali szczegółowe mapy ruchu gazu głęboko wewnątrz strefy wpływu czarnej dziury. Rozdzielczość była na tyle wysoka, że pozwoliła dostrzec struktury o rozmiarach około 30 lat świetlnych – niezwykle mały fragment galaktyki liczącej setki tysięcy lat świetlnych średnicy.

Gazowe włókna zasilają supermasywną czarną dziurę

Mapy wykazały, że wir w kształcie litery „S” jest w rzeczywistości obracającym się dyskiem gazu otaczającym supermasywną czarną dziurę o średnicy blisko 800 lat świetlnych. Materia porusza się w nim z prędkością dochodzącą do 600 kilometrów na sekundę. Co istotne, struktura ta wydaje się być fizycznie połączona z jednym z dużych opadających włókien rozciągających się na zewnątrz galaktyki. Obserwacje pokazały, że gaz przemieszcza się wzdłuż niego i wpływa do dysku zasilającego supermasywną czarną dziurę.

Symulacje potwierdziły obserwacje astronomów

Badanie pomaga astronomom lepiej zrozumieć pełny cykl zasilania supermasywnej czarnej dziury. Dżety emitowane przez te obiekty przekazują energię do gazu otaczającego galaktykę. Ten z czasem ochładza się, staje się niestabilny i zapada, tworząc długie włókna. Niektóre z nich mają zaledwie kilkaset lat świetlnych szerokości, ale rozciągają się na tysiące lat świetlnych.

Jak opisują naukowcy, siły magnetyczne spowalniają obrót gazu podczas jego opadania i kierują go ku centrum galaktyki. Gromadzi się on w obracającym się dysku wokół czarnej dziury. Ten z kolei zasila ją, a ta ponownie emituje dżety, rozpoczynając cały cykl od nowa.

Aby sprawdzić, czy taki scenariusz rzeczywiście odpowiada rzeczywistości, badacze przeprowadzili również zaawansowane symulacje komputerowe tego układu. Zachowanie gazu w modelach odpowiadało temu, co zaobserwował Teleskop Webba, dostarczając dowodów wskazujących na potwierdzenie proponowanego wyjaśnienia.

Emil Gołoś