Astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali zewnętrzną krawędź dysku materii otaczającego zasilającą supermasywną czarną dziurę.
Obserwacje te mogą pomóc naukowcom lepiej zmierzyć struktury otaczające te kosmiczne potwory, zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury żywią się tymi strukturami i poskładać w całość, jak to odżywianie wpływa na ewolucję galaktyk, w których występują takie zjawiska.
Zasilające czarne dziury znajdują się w sercach obszarów o niesamowitej jasności, zwanych aktywnymi jądrami galaktycznymi (AGN). Bezpośrednio wokół tych czarnych dziur, które mogą być miliony, a nawet miliardy razy masywniejsze od Słońca, znajduje się wirujący dysk gazu i pyłu, który jest stopniowo wprowadzany do centralnego supermasywnego ciała.
Niesamowity wpływ grawitacyjny takich supermasywnych czarnych dziur powoduje, że materia w dyskach akrecyjnych osiąga temperatury dochodzące do 18 milionów stopni Fahrenheita (10 milionów stopni Celsjusza). Powoduje to, że konstrukcja emituje promieniowanie w całym spektrum elektromagnetycznym, od wysokoenergetycznych promieni gamma i rentgenowskich po światło widzialne, światło podczerwone i fale radiowe. Emisje z aktywnych jąder galaktycznych, zwanych także kwazarami, mogą być tak jasne, że przyćmiewają połączone światło wszystkich gwiazd w otaczających je galaktykach.
Powiązany: Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba odkrywa, że aktywne supermasywne czarne dziury występowały zaskakująco rzadko we wczesnym wszechświecie
Jednak nawet przy tak dużej mocy wyjściowej, ponieważ dyski akrecyjne są stosunkowo małe, a wiele z nich znajduje się w niewiarygodnie odległych galaktykach, trudno jest je bezpośrednio sfotografować. Alternatywnie astronomowie mogą wykorzystać pełne spektrum światła dysku akrecyjnego, aby zrozumieć jego fizykę, a nawet określić jego rozmiar.
Tę technikę przyjął zespół kierowany przez naukowców z Narodowego Instytutu Badań Kosmicznych w Brazylii. Denimara Dias dos Santos i Alberto Rodríguez Ardila badali dysk akrecyjny odległego kwazara III Zw 002, znajdującego się w sercu galaktyki Messier 106 (M 106). M 106 znajduje się około 24 milionów lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Psów Wenatycznych.
Po raz pierwszy zespół zaobserwował linie emisyjne bliskiej podczerwieni w widmie światła pochodzącego z dysku akrecyjnego tego kwazara. Linie te pomogły badaczom określić rozmiar tej przypominającej płytkę struktury, z której żywi się supermasywna czarna dziura, której masę określono na 400–500 mas Słońca.
„To odkrycie daje nam cenny wgląd w strukturę i zachowanie obszaru szerokopasmowego w tej konkretnej galaktyce, podkreślając fascynujące zjawiska zachodzące wokół supermasywnych czarnych dziur w aktywnych galaktykach” – powiedziała Rodriguez-Ardila. – stwierdził w oświadczeniu .
Podekscytowanie gromadzeniem tabletek
Linie emisyjne takie jak ta badana przez zespół powstają, gdy atom pochłania energię i przyjmuje to, co fizycy nazywają „stanem wzbudzonym”. Ostatecznie atomy te muszą powrócić do najniższego stanu energetycznego, czyli „stanu podstawowego”. Ten spadek do stanu podstawowego uwalnia światło, które – ponieważ każdy pierwiastek ma unikalny zestaw poziomów energii – ma długość fali i energię charakterystyczną dla atomu danego pierwiastka.
Oznacza to, że te emisje w widmach światła mogą pomóc w identyfikacji elementów gwiazdy, atmosfery planety, a w tym przypadku dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury.
Linie emisyjne gwiazd i innych źródeł mają postać cienkich grzbietów w widmach, ale gwałtowne warunki wokół supermasywnej czarnej dziury powodują, że linie emisyjne dysku akrecyjnego przyjmują inny wygląd.
Gdy materia w pobliżu supermasywnej czarnej dziury przyspiesza do prędkości bliskich prędkości światła, powiązane z nią linie emisyjne rozszerzają się i przyjmują płytsze szczyty. Region, z którego pochodzą te emisje, nazywany jest obszarem szerokiej linii dysku akrecyjnego.
Kiedy jedna strona dysku akrecyjnego zbliża się do Ziemi, druga strona się oddala. Powoduje to krótkie fale światła po stronie obracającej się w naszym kierunku i dłuższe fale światła po stronie dysku akrecyjnego, która się oddala.
Jest to podobne do tego, co dzieje się tutaj, na Ziemi, kiedy ambulans jedzie w twoją stronę ulicą miasta. Fale dźwiękowe syren łączą się, tworząc dźwięk o krótkiej długości fali i dźwięk o wysokiej częstotliwości. W miarę oddalania się ambulansu fale dźwiękowe rozszerzają się, a częstotliwość syreny maleje.
Zjawisko to nazywa się przesunięciem Dopplera i dla światła wychodzącego z dysku akrecyjnego powoduje pojawienie się dwóch pików – jednego po stronie oddalającej się od Ziemi i drugiego po stronie szybko poruszającej się w kierunku Ziemi.
Kiedy widoczne są te szerokie emisje o podwójnych szczytach, pochodzące z wewnętrznego obszaru dysku akrecyjnego, nie dają one astronomom żadnych wskazówek co do wielkości dysków akrecyjnych. Gdyby jednak te linie były widoczne z zewnętrznej krawędzi, byłyby widoczne.
Ten zespół astronomów dokonał jednoznacznego odkrycia dwóch profili w bliskiej podczerwieni o podwójnych szczytach w obszarze szerokopasmowym III Zw 002, linii pochodzącej od wodoru z wewnętrznego obszaru dysku obszaru szerokopasmowego oraz linii wytwarzającej tlen w obszarze szerokopasmowym zewnętrzną granicę tego regionu.
Linie emisyjne znaleziono w danych zebranych przez spektrograf bliskiej podczerwieni Gemini (GNIRS), który jest w stanie jednocześnie obserwować całe widmo bliskiej podczerwieni. Umożliwiło to zespołowi uchwycenie pojedynczego, czystego, stale kalibrowanego widma kwazara.
„Wcześniej nie wiedzieliśmy, że III Zw 002 ma wygląd podwójnego piku, ale kiedy zredukowaliśmy dane, bardzo wyraźnie zauważyliśmy podwójny pik” – powiedziała Rodriguez-Ardila. „W rzeczywistości kilkakrotnie zmniejszaliśmy dane, sądząc, że mogą być błędne, ale za każdym razem widzieliśmy ten sam dramatyczny wynik”.
Pomogło to w ograniczeniu rozmiaru dysku akrecyjnego, ponieważ zespół był w stanie zobaczyć linię wodoru biegnącą z odległości 16,77 dni świetlnych od centralnej supermasywnej czarnej dziury, podczas gdy linia tlenu przebiegała w promieniu 18,86 dni świetlnych.
Astronomowie byli także w stanie określić rozmiar obszaru szerokopasmowego, szacując jego zewnętrzny promień na 52,43 dni świetlnych. Ponadto zespołowi udało się obliczyć, że szeroki obszar linii dysku akrecyjnego jest nachylony względem Ziemi pod kątem 18 stopni.
Zespół będzie w dalszym ciągu monitorował kwazara III Zw 002, obserwując zmianę jego obrazu w czasie, a także zastanawiając się nad wykorzystaniem światła bliskiej podczerwieni do badania innych aktywnych jąder galaktycznych.
Wyniki badań opublikowano w sierpniu br Listy do dzienników astrofizycznych .
