Czarna dziura sięga poza własną galaktykę. Nowe, fascynujące dane

Supermasywna czarna dziura siedzi w centrum galaktyki i w porównaniu z nią samą zajmuje absurdalnie mało miejsca. Nie oznacza to jednak, że jej wpływ kończy się gdzieś w pobliżu jądra. Astronomowie znaleźli ślad pokazujący, że energia wyrzucana przez aktywne czarne dziury dociera setki tysięcy lat świetlnych dalej, aż do ogromnego magazynu gazu otaczającego galaktykę.

Właśnie tam znajdują się zapasy materii potrzebnej do produkowania kolejnych pokoleń gwiazd. Jeśli gaz pozostanie chłodny, może opaść w kierunku galaktyki i stać się paliwem dla nowych słońc. Jeżeli jednak zostanie podgrzany i zjonizowany, cały proces może zostać zahamowany. Nowe badanie opublikowane w The Astrophysical Journal Letters pokazuje, że dżety supermasywnych czarnych dziur rzeczywiście zostawiają w tym gazie bardzo wyraźny ślad.

Patrząc na zdjęcie galaktyki widzimy przede wszystkim jej gwiazdy, pył i świecący gaz. Na tym jednak obiekt się nie kończy. Całość otacza niezwykle rozległe ośrodowisko okołogalaktyczne, w skrócie CGM.

To rzadka mieszanina gazu rozciągająca się nawet 10-20 razy dalej niż widoczna część galaktyki. Pełni rolę gigantycznego zbiornika. Materia może z czasem chłodnąć, opadać do wnętrza galaktyki, zwiększać zapasy gazu molekularnego i w końcu tworzyć nowe gwiazdy.

Od dawna istniał jednak problem. Skoro wokół dużych galaktyk znajduje się tak dużo materii, dlaczego wiele z nich dawno temu niemal całkowicie przestało produkować gwiazdy?

Jednym z głównych podejrzanych jest aktywne jądro galaktyczne. Gdy supermasywna czarna dziura pochłania materię, część energii może zostać wyrzucona w postaci wąskich dżetów plazmy poruszającej się z prędkościami bliskimi prędkości światła. Wiedzieliśmy już, że dżety potrafią siać spustoszenie w bezpośrednim otoczeniu galaktyki. Znacznie trudniej było pokazać, co robią z chłodniejszym gazem znajdującym się bardzo daleko od centrum.

Namrata Roy z Raman Research Institute, Sanchayeeta Borthakur z Arizona State University oraz ich współpracownicy połączyli dane z dwóch wielkich przeglądów nieba.

LOFAR Two-metre Sky Survey pozwolił wskazać galaktyki z rozległymi dżetami radiowymi oraz określić kierunek, w którym dżety się rozchodzą. DESI dostarczył natomiast widm odległych kwazarów znajdujących się za tymi galaktykami.

To niezwykle sprytny układ. Światło kwazara przechodzi przez rozległy gaz otaczający bliższą galaktykę i działa niczym latarka ustawiona za niemal przezroczystym obłokiem. W jego widmie można szukać bardzo słabych śladów materii znajdującej się pomiędzy kwazarem a Ziemią.

Początkowo zespół miał ponad 90 tys. radiowych aktywnych jąder galaktyk. Po nałożeniu wszystkich wymagań został zestaw 324 par: galaktyka radiowa i położony w odpowiednim miejscu za nią kwazar. Linie widzenia przebiegały przez halo w odległościach od około 20 do nawet 800 kiloparseków od galaktyk, czyli w skrajnych przypadkach ponad 2,5 mln lat świetlnych.

Pojedynczy sygnał był jednak zbyt słaby, dlatego astronomowie nałożyli na siebie setki widm i zaczęli porównywać różne kierunki wokół galaktyk. Gdy wrzucili wszystko do jednego worka, charakterystyczna emisja wodoru H-alfa praktycznie ginęła w szumie. Sytuacja zmieniła się po wybraniu 74 linii widzenia przebiegających w odległości nie większej niż 20 stopni od osi radiowego dżetu.

Tam H-alfa pojawiła się z istotnością przekraczającą 5 sigma. Innymi słowy, bardzo trudno wyjaśnić wynik przypadkowym szumem. Co więcej, gaz leżący na kierunku dżetów świecił w H-alfa około 100 razy mocniej niż typowe halo galaktyczne. Najsilniejszy sygnał pojawiał się w dwóch miejscach: stosunkowo blisko galaktyki oraz ponownie w pobliżu zewnętrznych płatów radiowych, gdzie dżet oddaje dużą część swojej energii otaczającej materii.

To właśnie ten układ jest najmocniejszym argumentem. Gaz nie rozświetla się równomiernie wokół galaktyki. Reaguje przede wszystkim tam, gdzie przechodzi strumień energii wyrzucany z okolic czarnej dziury.

Zespół sprawdził jeszcze jeden wskaźnik, a mianowicie: absorpcję magnezu Mg II, która pozwala śledzić chłodniejszy gaz. Tutaj nie było podobnej zależności od kierunku dżetu. Materia była rozmieszczona znacznie bardziej równomiernie.

Dżet prawdopodobnie nie tworzy całego obserwowanego gazu ani nie przerzuca go wyłącznie w jednym kierunku. Chłodne obłoki już otaczają galaktykę, natomiast przechodzący przez nie dżet zmienia ich gęstość, ciśnienie lub stopień jonizacji i sprawia, że zaczynają jasno świecić w H-alfa.

W dłuższej perspektywie takie dostarczanie energii może mieć naprawdę ogromne konsekwencje. Podgrzewany i wzburzany gaz trudniej schładza się, opada do galaktyki i tworzy kolejne gwiazdy. Czarna dziura znajdująca się w centrum może więc wpływać na przyszłość całej galaktyki poprzez materię znajdującą się daleko poza jej widocznym dyskiem.

Podobny finał widzieliśmy już w Galaktyce Pabla, gdzie aktywna czarna dziura pomagała pozbawiać galaktykę materiału potrzebnego do produkcji nowych gwiazd. Tutaj jednak nie obserwujemy jednego spektakularnego obiektu, lecz statystyczny ślad tego, jak dżety oddziałują z wielkimi rezerwuarami gazu wokół całej populacji galaktyk.

Wyniku nie należy jednak interpretować zbyt dosłownie. Astronomowie nie obserwowali konkretnej czarnej dziury, która w czasie rzeczywistym podgrzała halo, a następnie zatrzymała narodziny gwiazd. Badanie pokazuje raczej bardzo silny związek pomiędzy kierunkiem dżetów a stanem gazu w ośrodku okołogalaktycznym. Samo zahamowanie powstawania gwiazd jest kolejnym fizycznie uzasadnionym krokiem tej historii, który trzeba jeszcze dokładniej zbadać.

Przeczytaj także:

Do tej pory czarne dziury wyglądały trochę jak niewielkie silniki umieszczone w środku gigantycznych galaktyk. Teraz coraz lepiej widać, że ich układ wydechowy może sięgać daleko poza wszystko, co na zwykłym zdjęciu uznalibyśmy za galaktykę.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI