Materia w okolicy supermasywnych czarnych dziur, leżących w centrach aktywnych galaktyk, porusza się inaczej niż sądzili dotychczas astronomowie. Świadczy to o tym, że zachodzą tam silne procesy gwiazdotwórcze.

Takie wnioski przedstawiła międzynarodowa grupa astronomów w artykule, który ukaże się w jednym z najbliższych numerów czasopisma “Astronomy & Astrophysics”.

Szybki rozwój zarówno naziemnych, jak i kosmicznych teleskopów, pracujących w różnych dziedzinach widma, pozwolił na odkrycie, że większość galaktyk zawiera w swoim centrum supermasywną czarną dziurę, której masa może sięgać nawet miliarda mas Słońca. Czarne dziury, choć nie tak masywne, zawiera także nasza Droga Mleczna i Wielka Mgławica w Andromedzie. Dla odmiany, inna bliska galaktyka – M33 z gwiazdozbioru Trójkąta – raczej na pewno w swoim centrum nie chowa takiego obiektu (pisaliśmy o tym).

Czarne dziury to bardzo niezwykłe obiekty. Powstają wtedy, gdy siła grawitacyjna na powierzchni jakiegoś ciała jest tak silna, że nawet światło nie jest w stanie się z niego wyrwać. Takiego obiektu nie możemy więc bezpośrednio obserwować, możemy jednak rejestrować jego wpływ na materię znajdującą się w okolicy.

Zwykłe czarne dziury, o masie od kilku do kilkunastu mas Słońca, stanowią końcowy etap ewolucji bardzo masywnych gwiazd. Supermasywne czarne dziury zostały na początku zaproponowane jako hipoteza wyjaśniająca ogromną jasność kwazarów i aktywnych galaktyk (tzw. AGNów).

Mając masę wielu milionów mas Słońca, przyciągają one bardzo silnie materię znajdującą się w okolicy. Materia ta formuje tzw. dysk akrecyjny wokół czarnej dziury, wirujący coraz szybciej w miarę zbliżania się do centrum. Ogromne siły i tarcie rozpędzonego do tysięcy km/s gazu powodują, że rozgrzewa się on do dziesiątków milionów stopni emitując silne promieniowanie rentgenowskie. Akrecja (opadanie) materii na czarną dziurę jest jednym z najbardziej efektywnych procesów uzyskiwania energii z materii. Nasze Słońce, w ciągu całego swojego życia, przerobi na energię niecały 1 proc. swojej masy. W przypadku czarnej dziury odsetek ten może sięgnąć nawet ponad 30 proc.

Wśród astronomów panuje obecnie zgoda co do ogólnej zasady funkcjonowania AGNów. Nadal wiele istotnych problemów pozostaje jednak nierozwiązanych. Nie wiemy na przykład w jaki sposób transportowany jest gaz, który, zanim opadnie na czarną dziurę, musi przebyć tysiące lat świetlnych.

Ostatnio modna jest hipoteza, że tworzy on tak zwaną poprzeczkę jądrową. Nazwa została nadana przez analogię do galaktyk spiralnych z poprzeczką, w których ramiona spiralne nie wychodzą bezpośrednio z centrum, lecz z podłużnego zgrubienia leżącego w środku galaktyki. Struktury takie, w których mniejsza poprzeczka jądrowa leży wewnątrz większej, udało już się zaobserwować w kilku galaktykach spiralnych.

Aby rzucić więcej światła na procesy zachodzące w centrach galaktyk, grupa francuskich i szwajcarskich astronomów zdecydowała się obserwować trzy galaktyki: NGC 1097, NGC 1808 i NGC 5728. Do badań wykorzystano instrument o nazwie Infrared Spectrometer And Array Camera (ISAAC) umieszczony w ognisku ogromnego 8,2-metrowego teleskopu znajdującego się w Europejskim Obserwatorium Południowym na górze Cerro Paranal w Chile.

ISAAC pracujący w podczerwieni doskonale nadaje się do tego typu obserwacji. Światło widzialne jest pochłaniane przez pył i gaz znajdujący się w okolicach czarnej dziury, natomiast fale podczerwone penetrują te obszary bez problemów. Dzięki obserwacjom w tym zakresie widma możemy dokładnie przyjrzeć się, jak zachowuje się materia w samym centrum aktywnych galaktyk.

Analiza linii widmowych cząsteczek czadu pozwoliła astronomom określić, jak szybko porusza się materia w okolicy czarnych dziur jako całość i jak od tej średniej prędkości odchylają się poszczególne gwiazdy. Poznanie dokładnych wartości tych prędkości pozwala na odtworzenie pola grawitacyjnego panującego w danym obszarze, a przez to poznanie rozkładu masy w wewnętrznych częściach galaktyki. Rozkład ten, w przypadku trzech obserwowanych galaktyk, całkowicie potwierdza istnienie poprzeczek jądrowych, odpowiedzialnych za transport materii w kierunku czarnej dziury.

Niezmiernie ciekawym odkryciem okazało się stwierdzenie, że w przeciwieństwie do wcześniejszych modeli teoretycznych, rozrzut prędkości wcale nie rośnie w miarę zbliżania się do centrum, lecz wyraźnie maleje. Efekt ten można wytłumaczyć procesem powstawania nowych gwiazd w wewnętrznych częściach poprzeczek jądrowych. Ponieważ obiekty te są bardzo młode, ich prędkości zgadzają się idealnie z prędkościami gazu, z którego się narodziły, a przez to obserwowany rozrzut prędkości jest bardzo mały. Nikt nie przewidywał wcześniej, że tak blisko supermasywnych czarnych dziur mogą zachodzić procesy gwiazdotwórcze.

Autor

Marcin Marszałek