Czarna dziura wieje jak Słońce. Skala robi wrażenie
Po gwałtownym rozbłysku rentgenowskim czarna dziura w NGC 3783 wypluła materię w zaskakującym tempie. Naukowcy po raz pierwszy zobaczyli takie zjawisko.
W centrum galaktyki NGC 3783 siedzi potwór o masie około 30 mln Słońc, a mimo to zachowuje się zaskakująco znajomo. Zespół astronomów zaobserwował, jak ta supermasywna czarna dziura w ciągu zaledwie kilkunastu godzin rozpala gwałtowny rozbłysk promieniowania, a zaraz potem wyrzuca w przestrzeń kosmiczną wiatr o prędkości sięgającej 1/5 prędkości światła. Dynamika zjawiska do złudzenia przypomina słoneczną koronalną erupcję, tylko w skali, która dosłownie wbija w fotel.
Czarna dziura, która wieje jak Słońce
NGC 3783 to galaktyka z tzw. aktywnym jądrem. Oznacza to, że supermasywna czarna dziura w jej centrum intensywnie pochłania gaz i pył z otoczenia. Materiał ten tworzy wokół niej gorący dysk akrecyjny, a nad nim powstaje korona, czyli rozgrzany do ekstremalnych temperatur, silnie namagnesowany obszar emitujący promieniowanie rentgenowskie.
Właśnie w takim środowisku doszło do zjawiska, którego dotąd nikt nie widział z taką szczegółowością. Międzynarodowy zespół, korzystając z japońsko-europejskiej misji XRISM oraz europejskiego satelity XMM-Newton, wychwycił nagły rozbłysk promieni X, a następnie pojawienie się tzw. ultrafast outflow – ultraszybkiego wiatru z okolic czarnej dziury.
Ultrafast outflow, w skrócie UFO, w tym kontekście nie ma nic wspólnego z latającymi spodkami. Jest to strumień silnie zjonizowanego gazu uciekającego z otoczenia czarnej dziury z prędkością sięgającą znacznej części prędkości światła. W NGC 3783 wiatr przyspieszył do około 60 tys. km na sek., czyli mniej więcej 0,19 prędkości światła, i pojawił się bezpośrednio po gwałtownym rozbłysku miękkiego promieniowania rentgenowskiego.
Teleskopy, które widzą ruch materii przy samej granicy horyzontu
Kluczem do odkrycia była niezwykle precyzyjna spektroskopia rentgenowska. Instrument Resolve znajdujący się na pokładzie XRISM mierzy energię pojedynczych fotonów rentgenowskich z dokładnością, która pozwala rozdzielić bardzo wąskie linie widmowe żelaza.
Kiedy gaz porusza się z ogromną prędkością w kierunku obserwatora, linie te są przesuwane ku wyższym energiom. Efekt ten nazywamy przesunięciem ku fioletowi. Dokładne zmierzenie tego przesunięcia pozwala obliczyć prędkość gazu. W danych z kampanii obserwacyjnej NGC 3783 naukowcy zobaczyli w czasie opadania rozbłysku charakterystyczne wgryzienie w widmo przy około 8,4 keV, odpowiadające zjonizowanemu żelazu pędzącemu w naszą stronę.
Analiza pokazała, że jest to wąski, gęsty klocek gazu, poruszający się z prędkością około 57 tys. km na sek., zanurzony w szerszym, bardziej rozmytym strumieniu. Co więcej, ślady szybkich wiatrów dało się dostrzec również w innych fazach rozbłysku – ich prędkość rosła od około 0,05 do nawet 0,3 prędkości światła w ciągu kilku dni.
Wcześniejsze satelity widziały pewne ślady podobnych wiatrów, ale nie pozwalały jednoznacznie rozróżnić ich prędkości, struktury i zmian w czasie. XRISM wraz z XMM-Newton stworzyły coś w rodzaju filmowej sekwencji, pokazującej, jak czarna dziura odkręca kurek z gazem.
Wiatr za szybki na samo światło. Gdzie zatem jest silnik?
Sam fakt ucieczki gazu z okolic czarnej dziury to za mało. Istotne jest bowiem zrozumienie, co tak naprawdę nadaje mu tak ogromną prędkość. W przypadku galaktyki NGC 3783 ciśnienie promieniowania okazało się zbyt słabe, by wyjaśnić zaobserwowany ultrafast outflow (UFO). Badacze wskazują na mechanizm znany ze Słońca, a mianowicie rekoneksję magnetyczną.
Linie pola magnetycznego w dysku akrecyjnym mogą się gwałtownie przestawiać, wyrzucając materię z potężną siłą, podobnie jak w koronalnych wyrzutach masy. W NGC 3783 obserwuje się bardzo podobny układ faz: najpierw rozbłysk rentgenowski, potem maksimum w UV i miękkim X, a równolegle – gwałtowne przyspieszenie wiatru. To słoneczny rozbłysk na skalę supermasywnej czarnej dziury.
Słońce w wersji potwora galaktycznego
Porównanie z naszą gwiazdą pomaga wyobrazić sobie mechanizm, ale skala obu procesów jest zupełnie inna. Typowy koronalny wyrzut masy na Słońcu wyrzuca chmurę plazmy z prędkością około 1,5 tys. km na sek. W przypadku NGC 3783 mówimy o około 60 tys. km na sek., czyli mniej więcej 40-krotnie szybciej.
Różnica tak naprawdę wynika przede wszystkim z pól magnetycznych i gęstości energii w pobliżu czarnej dziury. W prostym przybliżeniu prędkość, z jaką może rozchodzić się zaburzenie magnetyczne w plazmie, opisuje tzw. prędkość Alfvena. Zależy ona zarówno od natężenia pola magnetycznego, jak i od gęstości materii. W pobliżu czarnej dziury pole może być tysiące razy silniejsze niż w koronie słonecznej, co naturalnie przekłada się na znacznie większe możliwe prędkości wyrzucanego gazu.
Jednocześnie sam początek wiatrów w NGC 3783 leży zaskakująco blisko czarnej dziury, w skali kilkudziesięciu promieni grawitacyjnych. Jest to charakterystyczna jednostka odległości używana w astrofizyce czarnych dziur, proporcjonalna do ich masy. W praktyce oznacza to, że widzimy, jak gaz jest wyrywany z wewnętrznych rejonów dysku akrecyjnego, w pobliżu granicy, za którą ucieczka z pola grawitacyjnego staje się już niemożliwa.
Dlaczego ten wiatr ma znaczenie dla całej galaktyki?
Jeśli struga takiego gazu wdziera się w chmury gazu międzygwiazdowego, może je podgrzewać, mieszać, a nawet wypychać z galaktyki. Od lat podejrzewa się, że właśnie takie wiatry są jednym z głównych mechanizmów tzw. sprzężenia zwrotnego AGN – procesu, w którym czarna dziura reguluje tempo powstawania gwiazd w swojej galaktyce. Silny, długotrwały wiatr może wywiać surowiec do formowania nowych gwiazd z centralnych rejonów galaktyki, przez co ta stopniowo gaśnie.
Przeczytaj także:
Żeby sprawdzić te scenariusze, nie wystarczy wiedzieć, że taki wiatr istnieje. Trzeba dokładnie znać jego prędkość, gęstość, geometrię i to, jak te parametry zmieniają się w czasie. Właśnie tutaj nowe wyniki z NGC 3783 są istotne, bowiem po raz pierwszy udało się krok po kroku obejrzeć, jak UFO powstaje w odpowiedzi na rozbłysk w promieniowaniu i jak w ciągu kilku dni przyspiesza od zaledwie kilku proc. prędkości światła do wartości, które pozwalają mu bez problemu uciec z okolic czarnej dziury.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
Jest tego więcej
Ustaw Spider’s Web jako preferowane medium w Google
