Zaskakujące nowe badania pokazują, w jaki sposób promieniowanie czarnych dziur może mieć pielęgnujący wpływ na życie.
Dzięki uprzejmości: NOIRLab/NSF/AURA/J. daSilva/M. Zaman
W centrum większości dużych galaktyk, w tym naszej Drogi Mlecznej, znajduje się supermasywna czarna dziura. Gaz międzygwiazdowy okresowo wpada na orbitę tych bezdennych otchłani, przełączając czarną dziurę w tryb aktywnego jądra galaktycznego (AGN), emitującą wysokoenergetyczne promieniowanie w całej galaktyce.
Nie jest to środowisko, w którym rośliny lub zwierzęta mogłyby się rozwijać. Jednak w zaskakujących nowych badaniach opublikowanych w Astrophysical Journal, naukowcy z Dartmouth i University of Exeter pokazują, że promieniowanie AGN może mieć paradoksalnie pielęgnujący wpływ na życie. Zamiast skazać gatunek na zapomnienie, może pomóc zapewnić mu sukces.
Badania te mogą być pierwszymi, które konkretnie zmierzyły, za pomocą symulacji komputerowych, w jaki sposób promieniowanie ultrafioletowe AGN może przekształcić atmosferę planety, aby pomóc lub utrudnić życie. Zgodnie z badaniami dotyczącymi wpływu promieniowania słonecznego, naukowcy odkryli, że korzyści – lub szkody – zależą od tego, jak blisko planety znajduje się źródło promieniowania i czy życie już się na niej rozwinęło.
Gdy życie już istnieje i dotleniło atmosferę, promieniowanie staje się mniej niszczycielskie, a być może korzystne – powiedziała Kendall Sippy, główna autorka artykułu. Po przekroczeniu tego mostu planeta staje się bardziej odporna na promieniowanie UV i chroniona przed potencjalnymi zdarzeniami wyginięcia.
Naukowcy przeprowadzili symulację wpływu promieniowania AGN nie tylko na Ziemię, ale także na planety podobne do Ziemi o różnym składzie atmosfery. Odkryli, że jeśli tlen był już obecny, promieniowanie wywołało reakcje chemiczne powodujące wzrost ochronnej warstwy planety. Im bardziej natleniona atmosfera, tym większy efekt.
Wysokoenergetyczne promieniowanie łatwo reaguje z tlenem, rozszczepiając cząsteczkę na pojedyncze atomy, które rekombinują, tworząc ozon. W miarę gromadzenia się O3 w górnych warstwach atmosfery, odbija on coraz więcej niebezpiecznego promieniowania z powrotem w przestrzeń kosmiczną. Ziemia zawdzięcza swój korzystny klimat podobnemu procesowi, który miał miejsce około dwóch miliardów lat temu wraz z pierwszymi mikrobami produkującymi tlen.
Promieniowanie słoneczne pomogło raczkującemu życiu na Ziemi dotlenić atmosferę i dodać do niej ozon. Gdy ochronny koc ozonowy naszej planety zgęstniał, pozwoliło to na rozkwit życia, produkując więcej tlenu i jeszcze więcej ozonu. Zgodnie z hipotezą Gai, te korzystne pętle sprzężenia zwrotnego umożliwiły powstanie złożonego życia.
Jeśli życie może szybko natlenić atmosferę planety, ozon może pomóc regulować atmosferę, aby sprzyjać warunkom potrzebnym do rozwoju życia – powiedział współautor artykułu Jake Eager-Nash. Bez mechanizmów sprzężenia zwrotnego regulujących klimat, życie może szybko wymrzeć.
W rzeczywistości Ziemia nie znajduje się wystarczająco blisko czarnej dziury Sagittarius A*, aby odczuć jej skutki, nawet w trybie AGN. Naukowcy chcieli jednak sprawdzić, co mogłoby się stać, gdyby Ziemia znajdowała się znacznie bliżej hipotetycznej AGN, a tym samym była narażona na promieniowanie miliardy razy większe niż teraz.
Odtwarzając beztlenową atmosferę Ziemi w archaiku, odkryli, że promieniowanie uniemożliwiłoby rozwój życia. Jednak wraz ze wzrostem poziomu tlenu, zbliżającym się do współczesnych poziomów, warstwa ozonowa Ziemi rosła i ochroniła planetę poniżej przed niebezpiecznym promieniowaniem.
Przy współczesnych poziomach tlenu zajęłoby to kilka dni, co, miejmy nadzieję, oznaczałoby, że życie mogłoby przetrwać – powiedział Eager-Nash. Byliśmy zaskoczeni, jak szybko zareagowałby poziom ozonu.
Kiedy przyjrzeli się temu, co mogłoby się stać z planetą podobną do Ziemi w starszej galaktyce, z gwiazdami skupionymi bliżej jej AGN, odkryli zupełnie inny obraz. W galaktyce soczewkowatej, takiej jak NGC 1277, skutki byłyby śmiertelne. Gwiazdy w bardziej masywnych galaktykach o eliptycznym kształcie, takich jak Messier 87 lub nasza spiralna Droga Mleczna, są bardziej rozproszone, a tym samym bardziej oddalone od niebezpiecznego promieniowania AGN.
Pętla sprzężenia zwrotnego, którą naukowcy odkryli w natlenionej atmosferze, była nieoczekiwana. Nasi współpracownicy nie pracują nad promieniowaniem czarnych dziur, więc nie byli zaznajomieni z widmem czarnej dziury i tym, o ile jaśniejsza może być AGN niż gwiazda w zależności od tego, jak blisko niej się znajdujesz – powiedział Ryan Hickox, profesor i przewodniczący Wydziału Fizyki i Astronomii w Dartmouth.
Gdyby nie zrządzenie losu, które połączyło oba laboratoria, projekt mógłby nigdy nie dojść do skutku. Jest to rodzaj wglądu, który można naprawdę uzyskać tylko poprzez połączenie różnych zestawów wiedzy specjalistycznej – dodał.
Po ukończeniu studiów w Dartmouth, Sippy wyjechała do Middlebury College, aby pracować jako badacz podyplomowy w laboratorium Hickoxa jako doktorantka, a obecnie jest adiunktem fizyki w Middlebury, badającą akreujące gwiazdy neutronowe w promieniach rentgenowskich.
Wniosła ona do projektu unikalną perspektywę. W badanych przez nią rentgenowskich układach podwójnych gwiazda neutronowa wyciąga materię z normalnej gwiazdy, powodując, że opadająca materia nagrzewa się i emituje promieniowanie rentgenowskie.
Podczas gdy AGN może potrzebować nawet milionów lat, aby przejść ze stanu aktywnego do nieaktywnego, rentgenowskie układy podwójne mogą zmieniać się w ciągu zaledwie kilku dni lub miesięcy. Wiele z tej samej fizyki, która ma zastosowanie do AGN, ma zastosowanie do rentgenowskich układów podwójnych, ale skale czasowe są znacznie szybsze niż w przypadku AGN – powiedziała.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Dartmouth College
