Supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej wydaje się imprezować – i jest to dziwne, dzikie i cudowne.
Źródło: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)
Korzystając z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, zespół astrofizyków uzyskał najdłuższy i najbardziej szczegółowy jak dotąd obraz pustki znajdującej się w środku naszej Galaktyki.
Naukowcy odkryli, że wirujący dysk gazu i pyłu (dysk akrecyjny) orbitujący wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury, zwanej Sagittarius A*, emituje ciągły strumień rozbłysków bez okresów odpoczynku. Podczas gdy niektóre rozbłyski są słabymi migotaniami, trwającymi zaledwie kilka sekund, inne rozbłyski są oślepiająco jasnymi erupcjami, które pojawiają się codziennie. Istnieją również jeszcze słabsze rozbłyski, które pojawiają się przez wiele miesięcy. Poziom aktywności występuje w szerokim zakresie czasu – od krótkich przerw do długich odcinków.
Nowe odkrycia mogą pomóc fizykom lepiej zrozumieć fundamentalną naturę czarnych dziur, sposób ich interakcji z otaczającym je środowiskiem oraz dynamikę i ewolucję naszego galaktycznego domu.
Wyniki badań zostały opublikowane 18 lutego 2025 roku w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters.
Oczekuje się, że rozbłyski zdarzają się zasadniczo we wszystkich supermasywnych czarnych dziurach, ale nasza czarna dziura jest wyjątkowa – powiedział Farhad Yusef-Zadeh z Northwestern, który kierował badaniami. Zawsze kipi aktywnością i nigdy nie wydaje się osiągać stanu stacjonarnego. Obserwowaliśmy czarną dziurę wielokrotnie w latach 2023 i 2024 i zauważyliśmy zmiany w każdej obserwacji. Za każdym razem widzieliśmy coś innego, co jest naprawdę niezwykłe. Nic nigdy nie pozostawało takie samo.
Losowe fajerwerki
Aby przeprowadzić badania, Yosef-Zadeh i jego zespół wykorzystali kamerę bliskiej podczerwieni JWST (NIRCam), która może jednocześnie obserwować dwa kolory podczerwieni przez długi czas. Za pomocą tego narzędzia do obrazowania naukowcy obserwowali Sagittarius A* łącznie przez 48 godzin – w odstępach od 8 do 10 godzin w ciągu jednego roku. Umożliwiło to naukowcom śledzenie, jak czarna dziura zmieniała się w czasie.
Podczas gdy Yusef-Zadeh spodziewał się zobaczyć rozbłyski, Sagittarius A* była bardziej aktywna niż się spodziewał. Mówiąc wprost: obserwacje ujawniły fajerwerki o różnej jasności i czasie trwania. Dysk akrecyjny otaczający czarną dziurę generował od pięciu do sześciu dużych rozbłysków dziennie i kilka mniejszych rozbłysków pomiędzy nimi.
W naszych danych widzieliśmy stale zmieniającą się, bulgoczącą jasność – powiedział Yusef-Zadeh. A potem bum! Nagle pojawił się duży wybuch jasności. Potem znowu się uspokoiło. Nie mogliśmy znaleźć wzorca w tej aktywności. Wydaje się ona być przypadkowa. Profil aktywności czarnej dziury był nowy i ekscytujący za każdym razem, gdy na niego patrzyliśmy.
W grę wchodzą dwa odrębne procesy
Chociaż astrofizycy nie rozumieją jeszcze w pełni zachodzących procesów, Yosif-Zadeh podejrzewa, że za krótkie wybuchy i dłuższe rozbłyski odpowiadają dwa odrębne procesy. Jeśli dysk akrecyjny jest rzeką, to krótkie, słabe rozbłyski są jak małe fale, które zmieniają się losowo na powierzchni rzeki. Natomiast dłuższe, jaśniejsze rozbłyski przypominają raczej fale pływowe, wywołane bardziej znaczącymi wydarzeniami.
Yusef-Zadeh twierdzi, że niewielkie zakłócenia w obrębie dysku akrecyjnego prawdopodobnie generują słabe migotanie. W szczególności, turbulentne fluktuacje wewnątrz dysku mogą kompensować plazmę (gorący, naładowany elektrycznie gaz), powodując tymczasowy wybuch promieniowania. Yusef-Zadeh porównuje to zdarzenie do rozbłysku słonecznego.
Jest to podobne do tego, jak pole magnetyczne Słońca gromadzi się, kompresuje, a następnie wywołuje rozbłysk słoneczny – wyjaśnił. Oczywiście procesy te są bardziej dynamiczne, ponieważ środowisko wokół czarnych dziur jest znacznie bardziej energetyczne i ekstremalne. Ale powierzchnia Słońca również kipi aktywnością.
Yusef-Zadeh przypisuje duże, jasne rozbłyski zdarzeniom ponownego połączenia magnetycznego – procesowi, w którym zderzają się dwa pola magnetyczne, uwalniając energię w postaci przyspieszonych cząstek. Poruszając się z prędkością bliską prędkości światła, cząstki te emitują jasne wybuchy promieniowania.
Podwójne widzenie
Ponieważ NIRCam JWST może obserwować dwie różne długości fali (2,1 i 4,8 mikrona) w tym samym czasie, Yusef-Zadeh i jego współpracownicy byli w stanie porównać, jak jasność rozbłysków zmieniała się w zależności od długości fali. Yusef-Zadeh powiedział, że uchwycenie światła o dwóch długościach fal jest jak widzenie w kolorze zamiast w czerni i bieli. Obserwując Sagittarius A* na wielu długościach fal, uchwycił pełniejszy i bardziej zróżnicowany obraz jej zachowania.
Po raz kolejny badacze zostali zaskoczeni. Nieoczekiwanie odkryli, że zdarzenia zaobserwowane na krótszej długości fali zmieniły jasność nieznacznie przed zdarzeniami na dłuższej długości fali.
Po raz pierwszy zaobserwowaliśmy opóźnienie czasowe w pomiarach na tych długościach fal – powiedział Yusef-Zadeh. Obserwowaliśmy te długości fal jednocześnie za pomocą NIRCam i zauważyliśmy, że dłuższa długość fali pozostaje w tyle za krótszą o bardzo niewielką wartość – może od kilku sekund do 40 sekund.
To opóźnienie dostarczyło więcej wskazówek na temat procesów fizycznych zachodzących wokół czarnej dziury. Jednym z wyjaśnień jest to, że cząstki tracą energię w trakcie rozbłysku – tracąc energię szybciej na krótszych długościach fal niż na dłuższych. Takie zmiany są oczekiwane w przypadku cząstek krążących wokół linii pola magnetycznego.
Dążenie do uzyskania nieprzerwanego wglądu
Aby dalej badać te pytania, Yusef-Zadeh ma nadzieję wykorzystać JWST do obserwacji Sagittarius A* przez dłuższy czas. Niedawno złożył propozycję obserwacji czarnej dziury nieprzerwanie przez 24 godziny. Dłuższy czas obserwacji pomoże zredukować szumy, umożliwiając naukowcom dostrzeżenie jeszcze drobniejszych szczegółów.
Kiedy patrzysz na tak słabe rozbłyski, musisz konkurować z szumem – powiedział Yusef-Zadeh. Jeśli możemy obserwować przez 24 godziny, możemy zredukować szum, aby zobaczyć cechy, których wcześniej nie byliśmy w stanie zobaczyć. To byłoby niesamowite. Możemy również zobaczyć, czy te rozbłyski wykazują okresowość (lub powtarzają się), czy też są naprawdę przypadkowe.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
Northwestern
