Gorący wiatr z czarnej dziury uchwycony po 50 latach obserwacji. Co naukowcy o nim wiedzą?

Od 100 lat, czyli odkąd Harlow Shapley i inni astronomowie zaczęli badać rozmieszczenie gwiazd w Drodze Mlecznej, które wskazało na istnienie masywnego centrum galaktyki, nieustannie próbujemy poznać jak najwięcej parametrów tego miejsca.

W 1974 roku Bruce Balick i Robert Brown zidentyfikowali bardzo zwarte źródło fal radiowych w samym środku Drogi Mlecznej i nazwali je Sagittarius A*. Sagittarius, ponieważ jest to łacińska nazwa konstelacji Strzelca, w której kierunku znajduje się centrum Drogi Mlecznej.

Nobel i supermasywna czarna dziura

Niemal pół wieku później, konkretnie w latach 1990–2000 Andrea Ghez (UCLA) i Reinhard Genzel (Max Planck Institute) wykazali, że w centrum Drogi Mlecznej znajduje się obiekt o masie około 4 mln mas Słońca w objętości mniejszej niż Układ Słoneczny, co stanowi najsilniejszy dowód na supermasywną czarną dziurę. Ich praca została w 2020 roku uhonorowana Nagrodą Nobla.

Już od lat 70. ubiegłego wieku astronomowie przewidywali, że Sagittarius A* powinien wysyłać gorący wiatr – strumień rozgrzanego gazu i plazmy wydostający się z obszaru wokół czarnej dziury. Sama czarna dziura nie może go generować, ponieważ tzw. horyzont zdarzeń nie wypuszcza niczego, co już wpadło w pułapkę tego grawitacyjnego potwora.

Ale wokół supermasywnej czarnej dziury znajduje się tak zwany dysk akrecyjny – gorący wirujący gaz, który po pewnym czasie opada na czarną dziurę, zasilając ją. Zbliżając się do horyzontu zdarzeń gaz rozgrzewa się do temperatury milionów stopni Celsjusza, po czym jonizuje się i emituje promieniowanie rentgenowskie. Część materii zamiast zostać pochłonięta zostaje wyrzucona na zewnątrz właśnie w postaci „wiatru”. Wiatr ten, wyrywając się z dysku akrecyjnego, przyjmuje kształt stożka.

Dane z obserwatorium ALMA

Właśnie po raz pierwszy udało się coś takiego zaobserwować. Wszystko dzięki pięcioletnim obserwacjom prowadzonym na ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), największym na świecie zespole radioteleskopów pracujących w zakresie fal milimetrowych i submilimetrowych. Badania prowadzili Mark Gorski i Elena Murchikova z Northwestern University w Illinois.

Zacznijmy od tego, że w porównaniu z wieloma innymi supermasywnymi czarnymi dziurami w centrach galaktyk, Sgr A* jest całkiem spokojna. Nie wyrzuca potężnych dżetów, jak czarne dziury w innych galaktykach, które bywają tak jasne, że widzimy je w bardzo wczesnym Wszechświecie. Jednak wszystkie supermasywne czarne dziury – także Sgr A* – teoretycznie powinny wytwarzać wiatry.

Nie udało się go wykryć przez tak długi czas, ponieważ trudno obserwuje się rejon, w którym znajduje się gęsta mieszanina gwiazd, pyłu i gazu. Mieszaninę tę określa się mianem dysku okołojądrowego (CND). Dopiero wieloletnie obserwacje pozwoliły odkryć duże obszary zimnego gazu oraz wyraźny stożek gorącego gazu, który wygląda na poszukiwany od lat 50. XX w. wiatr.

Na podstawie zebranych przez ALMA danych badacze stworzyli mapę zimnego gazu znajdującego się w odległości kilku lat świetlnych od Sgr A*. Mapa ta jest aż 100-krotnie dokładniejsza niż wcześniejsze tego typu opisy. Taką precyzję udało się osiągnąć dzięki symulacjom i odjęciu efektu migotania światła emitowanego przez samą czarną dziurę.

Stożek gorącego gazu

Właśnie na tej mapie badacze dostrzegli wyraźny stożek pozbawiony zimnego gazu. Po zestawieniu danych z emisji rentgenowskiej oba obszary pokryły się niemal idealnie. Obliczyli, że energia potrzebna do wytworzenia takiego strumienia odpowiada energii około 25 000 Słońc. Nie mogły jej wytworzyć pobliskie gwiazdy ani supernowe, co wskazuje, że źródłem musi być sama Sgr A*.

Dlaczego jest to istotne? Przede wszystkim pozwala prześledzić ewolucję naszej centralnej supermasywnej czarnej dziury. W tej chwili Sgr A* jest mało aktywna, ale pewne dane sugerują, że niegdyś była bardzo aktywna i zdolna wystrzeliwać wysokoenergetyczne dżety. Właśnie tego typu dżety mogły wpłynąć na utworzenie się tzw. pęcherzy Fermiego, czyli gigantycznych struktur gazowych wypełnionych wysokoenergetycznymi cząstkami i promieniowaniem gamma. W 2010 roku teleskop Fermiego odkrył tego typu struktury rozciągające się na około 25 000 lat świetlnych w górę i w dół od centrum Drogi Mlecznej.

Poza tym, jeśli odkrycie potwierdzą kolejne badania, można będzie określić w jakim kierunku materia wpada do czarnej dziury. A to stanowi klucz do lepszego zrozumienia także ewolucji całej naszej galaktyki.

Źródło: New Scientist

Nasza autorka

Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka

Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.