Zbadali potężny żywioł. Pędzi z połową prędkości światła
Dzięki sieci radioteleskopów obejmującej dystanse porównywalne z rozmiarem Ziemi naukowcy po raz pierwszy oszacowali chwilową moc dżetów z Cygnusa X-1.
Cygnus X-1, jeden z najbardziej znanych układów z czarną dziurą, znów dostarczył astrofizyce bardzo twardych danych. Międzynarodowy zespół kierowany z Curtin University zmierzył moc i prędkość jego dżetów, czyli strumieni materii wyrzucanych z okolic czarnej dziury. Wynik naprawdę robi wrażenie. Materia w tych dżetach porusza się z prędkością około połowy prędkości światła, a sama moc strumieni odpowiada mniej więcej energii emitowanej przez 10 tys. Słońc. To pierwszy raz, gdy udało się w ten sposób uchwycić chwilową moc takich dżetów, a nie tylko ich uśredniony wpływ liczony w skali tysięcy lub milionów lat.
To nie była obserwacja samej czarnej dziury, lecz tego, co robi z otoczeniem
Cygnus X-1 to układ podwójny złożony z czarnej dziury i masywnej gwiazdy nadolbrzyma. W takich układach materia z gwiazdy może trafiać w stronę czarnej dziury, a część energii uwalnianej podczas tego procesu nie znika bez śladu, tylko zostaje wyrzucona w postaci wąskich, szybkich dżetów. Właśnie te strumienie były głównym obiektem badania. Naukowcy nie skupiali się więc na samym horyzoncie zdarzeń, ale na tym, jak układ oddaje energię z powrotem do otaczającej przestrzeni.
Dżety z czarnych dziur są jednym z głównych mechanizmów sprzężenia zwrotnego. Mówiąc prościej, czarna dziura nie tylko pochłania materię, ale może też aktywnie wpływać na swoje otoczenie, ogrzewać je, zaburzać ruch gazu i w ten sposób współkształtować większe struktury. Autorzy podkreślają, że właśnie z tego powodu ich pomiar nie dotyczy wyłącznie jednego nietypowego układu, lecz pomaga kalibrować modele opisujące ewolucję galaktyk.
Tańczące dżety zdradziły, jak wielka jest ich moc
Rozwiązanie tej astrofizycznej zagadki okazało się zaskakująco wręcz obrazowe. Potężne dżety materii wystrzeliwane przez Cygnus X-1 wcale nie pędzą przez kosmos w idealnej linii prostej. Ich tor lotu jest brutalnie zakrzywiany przez huraganowy wiatr gwiazdowy, bijący od potężnego towarzysza – gwiezdnego nadolbrzyma.
Aby wyjaśnić, jak zważono to zjawisko, badacze sięgnęli po genialną w swojej prostocie metaforę fontanny walczącej z wichurą: jeśli wiesz, z jaką siłą wieje wiatr, a jednocześnie potrafisz zmierzyć, jak mocno odchyla on strumień wody, to bezbłędnie wyliczysz początkową moc samej fontanny. Dokładnie ten sam trik zastosowali astronomowie. Mierząc precyzyjnie kąt kosmicznego ugięcia dżetów, po raz pierwszy w historii zdołali oszacować ich chwilową, surową potęgę.
To dlatego w komunikatach zespołu pojawia się określenie tańczących dżetów. Nie chodzi o metaforę literacką, ale o rzeczywisty wzór ruchu obserwowany na sekwencjach obrazów radiowych. Ponieważ układ porusza się po orbicie, a wiatr gwiazdy stale naciska na strumienie materii, dżety są kolejno odchylane w różnych kierunkach. Dzięki temu badacze nie tylko zobaczyli, że istnieją, ale mogli wykorzystać ich ruch jako narzędzie pomiarowe.
Połowa prędkości światła i 10 tys. Słońc
Zespół oszacował, że prędkość dżetów wynosi około 150 tys. km na sekundę, czyli mniej więcej połowę prędkości światła. To liczba, która sama w sobie robi wrażenie, ale jeszcze ważniejszy jest drugi wynik, czyli moc dżetów odpowiada energii promieniowanej przez około 10 tys. Słońc. Badacze podkreślają też, że około 10 proc. energii uwalnianej podczas opadania materii w stronę czarnej dziury jest wynoszone na zewnątrz właśnie przez dżety.
Ten ostatni wniosek ma absolutnie kolosalne znaczenie dla astrofizyków teoretycznych. Od dekad opierali oni swoje potężne, wielkoskalowe modele na założeniu, że właśnie taki ułamek energii z pożeranej materii zostaje ostatecznie wystrzelony w kosmos w postaci dżetów. Problem polegał jednak na tym, że przez lata dramatycznie brakowało im twardych, obserwacyjnych dowodów na to, jak to zjawisko zachowuje się w skali chwilowej.
Do tej pory nauka była skazana na wyliczanie jedynie bezpiecznych, rozmytych średnich, mierzonych na przestrzeni bardzo długich epok. Najnowsze badanie ostatecznie kończy z tymi matematycznymi domysłami. Dostarcza badaczom twardy, fizyczny fundament, na którym cała dziedzina może od teraz z pełnym przekonaniem opierać kolejne teorie.
To ważne nie tylko dla Cygnusa X-1, ale też dla milionów innych czarnych dziur
Autorzy podkreślają, że fizyka wokół czarnych dziur jest w wielu skalach zaskakująco podobna. Oznacza to, że wynik uzyskany dla obiektu o masie gwiazdowej może pomóc lepiej rozumieć także dżety z supermasywnych czarnych dziur w centrach galaktyk.
Przeczytaj także:
Właśnie dlatego badacze od razu łączą ten pomiar z przyszłością wielkich projektów radiowych, takich jak Square Kilometre Array Observatory w Australii i RPA. Takie instrumenty mają wykrywać dżety z milionów odległych galaktyk, a nowy wynik z Cygnusa X-1 może pomóc kalibrować ich rzeczywistą moc. Gdy wreszcie zdejmiemy precyzyjną miarę z jednego, flagowego układu, zyskujemy uniwersalny klucz do budowania wiarygodnych modeli dla całej, potężnej populacji czarnych dziur we Wszechświecie.
