Kosmos narysował gigantyczny znak. Co to jest?

Na najnowszym obrazie z obserwatorium Chandra widać coś, co przypomina gigantyczny klucz wiolinowy zawieszony pośród galaktyk. Różowa struktura rozciąga się na około 2,5 mln lat świetlnych, a jej niezwykły kształt nie jest przypadkowym efektem obróbki obrazu. Naukowcy ustalili, że za powstaniem kosmicznego znaku najprawdopodobniej stoją dwa potężne zjawiska: dawna aktywność supermasywnej czarnej dziury i późniejsze zderzenie gromad galaktyk.

Obiekt znajduje się około 1,55 mld lat świetlnych od Ziemi, w części nieba wyjątkowo trudnej do obserwowania. Przez lata astronomowie nie potrafili jednoznacznie ustalić jego pochodzenia. Dopiero połączenie danych radiowych, rentgenowskich i podczerwonych pozwoliło odtworzyć wydarzenia, które mogły ukształtować tę niezwykłą strukturę.

Obiekt nosi oznaczenie VLSS J0318.9+5755, ale naukowcy nadali mu znacznie łatwiejszy do zapamiętania przydomek Treble Clef, czyli klucz wiolinowy. Powód widać na pierwszy rzut oka. Jasne, wygięte pasma przypominają charakterystyczny symbol zapisywany na początku pięciolinii.

Podobieństwo jest jednak wyłącznie wizualne. Jest to przykład pareidolii, czyli zjawiska, w którym ludzki mózg rozpoznaje znajome kształty w przypadkowych układach. Na podobnej zasadzie dostrzegamy zwierzęta w chmurach czy ludzkie twarze na powierzchni Marsa.

W rzeczywistości nie oglądamy więc świecącego obłoku widocznego dla ludzkiego oka. Różowy znak przedstawia rozkład emisji radiowej pochodzącej od wysokoenergetycznych cząstek. Dopiero odpowiednie przetworzenie pomiarów pozwoliło nadać tej emisji kształt i kolor widoczny na obrazie.

Sama struktura mierzy około 760 kiloparseków, czyli blisko 2,5 mln lat świetlnych. Cały obszar przedstawiony na opublikowanej przez NASA ilustracji ma natomiast około 6 mln lat świetlnych szerokości. To ogromna skala nawet w porównaniu z największymi galaktykami.

Według najbardziej prawdopodobnego scenariusza historia kosmicznego klucza rozpoczęła się od aktywności supermasywnej czarnej dziury w jednej z galaktyk należących do gromady. Takie obiekty mogą pochłaniać ogromne ilości materii, ale część gazu znajdującego się w ich otoczeniu zostaje skierowana w przeciwną stronę.

Powstają wtedy dżety, czyli wąskie strumienie naładowanych cząstek poruszających się z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła. Potrafią docierać daleko poza macierzystą galaktykę, przenosząc energię i pola magnetyczne na ogromne odległości.

Na Spider’s Web opisywaliśmy niedawno badania pokazujące, że oddziaływanie supermasywnych czarnych dziur może sięgać setek tysięcy lat świetlnych poza granice ich galaktyk. W przypadku klucza wiolinowego pozostałości takiej aktywności mogły przetrwać jeszcze długo po zakończeniu intensywnej emisji.

Z czasem wyrzucone cząstki traciły jednak energię. Promieniowanie radiowe słabło, a dawne obszary aktywności stawały się coraz trudniejsze do wykrycia. Gdyby na tym zakończyła się historia, astronomowie mogliby nigdy nie zobaczyć tak wyraźnej struktury.

Drugi etap rozegrał się prawdopodobnie kilkaset milionów lat temu. Wtedy doszło do bliskiego przejścia przez siebie dwie gromad galaktyk. Każda z nich zawierała liczne galaktyki oraz ogromne ilości niezwykle gorącego, rozrzedzonego gazu.

Podczas takiego spotkania poszczególne galaktyki zazwyczaj nie zderzają się bezpośrednio ze sobą, ponieważ dzielą je ogromne odległości. Znacznie silniej oddziałuje gaz znajdujący się pomiędzy nimi. Powstają zaburzenia, fale uderzeniowe i przepływy zdolne przemieszczać oraz ściskać materię w olbrzymich obszarach przestrzeni.

Astronomowie podejrzewają więc, że właśnie te procesy ponownie wzmocniły emisję pozostawioną przez czarną dziurę. Stary obłok naładowanych cząstek został ściśnięty lub ponownie pobudzony, przez co stał się wyraźniej widoczny w falach radiowych.

Takie struktury nazywa się radiowymi feniksami. Ich nazwa nawiązuje do mitycznego ptaka odradzającego się z popiołów, ponieważ emisja związana z dawną aktywnością galaktyki może ponownie stać się wykrywalna po długim okresie słabnięcia.

W opublikowanym badaniu zespół kierowany przez Andrea Botteona z włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF) wskazuje, że obserwacje dobrze pasują do takiego scenariusza. Nie ma jednak pewności, jakie dokładnie procesy nadały strukturze wszystkie widoczne dziś zakrzywienia. Istotną rolę mogły odegrać turbulentne ruchy gorącego gazu, czyli jego nieregularne przepływy.

Zbadanie obiektu było wyjątkowo trudne ze względu na jego położenie. Klucz wiolinowy znajduje się niemal dokładnie za płaszczyzną Drogi Mlecznej. Oznacza to, że z naszej perspektywy przesłaniają go liczne gwiazdy, gaz i pył należące do własnej galaktyki.

Astronomowie określają takie obszary mianem strefy unikania, ponieważ tradycyjne obserwacje w świetle widzialnym są tam mocno utrudnione. Nie oznacza to jednak, że nie da się zajrzeć dalej. Pomagają instrumenty rejestrujące promieniowanie w innych zakresach widma.

W nowym badaniu ważną rolę odegrała europejska sieć radioteleskopów LOFAR, której obserwacje pozwoliły dokładnie zobaczyć zakrzywione pasma emisji. Co ciekawe, częścią LOFAR są również trzy polskie stacje, znajdujące się w Borówcu pod Poznaniem, Łazach pod Krakowem oraz Bałdach koło Olsztyna.

Z kolei kosmiczne obserwatoria Chandra i eROSITA wykryły gorący gaz, którego temperatura sięga dziesiątek milionów stopni. Dane rentgenowskie pozwoliły potwierdzić, że obiekt znajduje się w masywnej gromadzie galaktyk, której materia jest silnie zaburzona.

Astronomowie wykorzystali również obserwacje w podczerwieni oraz dodatkowe pomiary radiowe. Dopiero ich połączenie pozwoliło ustalić, że mamy do czynienia z pozostałością po aktywności czarnej dziury, na którą nałożyły się skutki późniejszej kolizji.

Szczególnie interesujące okazało się porównanie rozkładu promieniowania rentgenowskiego z przewidywanym kształtem spokojnej gromady galaktyk. Naukowcy przygotowali matematyczny model odpowiadający stosunkowo regularnemu, owalnemu obłokowi gazu, a następnie odjęli go od rzeczywistych danych obserwacyjnych.

Pozostały obszary o zwiększonej emisji po lewej i prawej stronie centrum. Taki układ sugeruje, że dwie gromady przemieszczały się względem siebie mniej więcej wzdłuż tego kierunku. Według badaczy ich główne części minęły się kilkaset milionów lat temu i obecnie oddalają się od siebie.

Przeczytaj także:

Same pomiary radiowe ujawniły jeszcze jeden szczegół. W wielu fragmentach klucza dominują fale o niskich częstotliwościach, charakterystyczne dla starzejących się populacji wysokoenergetycznych elektronów. To dodatkowa wskazówka przemawiająca za tym, że obserwujemy pozostałość dawnej aktywności, a nie świeżo powstały obiekt.

Podobnie nietypowe struktury radiowe opisywaliśmy już przy okazji odkrycia ogromnych kosmicznych pierścieni ORC. Choć nie są one tym samym zjawiskiem, również pokazują, że aktywność galaktyk i ich czarnych dziur może pozostawiać ślady o niezwykłych rozmiarach.

*Źródło grafiki wprowadzającej: Harvard