Szybko rotująca supermasywna czarna dziura została niedawno znaleziona w centrum spiralnej galaktyki NGC 1365 dzięki połączeniu danych zebranych przez obserwatoria NASA i ESA. Daje to nowe spojrzenie na sposób ewolucji galaktyki.

Przypuszcza się, że supermasywne czarne dziury, mogą czaić się w centrach niemal wszystkich dużych galaktyk oraz, że ewolucja galaktyk jest nierozerwalnie związana z ewolucją samych czarnych dziur. Bowiem to jak szybko czarna dziura obraca się ma swoje odbicie w historii jej formowania się. Na obrazku czarna dziura jest otoczona przez dysk akrecyjny i zwiększa swoją masę dzięki materii, która na nią opada. Dysk akrecyjny rotuje wokół czarnej dziury, więc pod koniec tego procesu, gdy czarna dziura pochłonie całą jego masę przejmie ona również jego prędkość obrotową i będzie ona rotować znacznie szybciej (wynika to z zasady zachowania momentu pędu). Z drugiej strony czarna dziura na którą porcje materii będą opadać ze wszystkich stron w przypadkowy sposób będzie obracać się względnie wolno. Sama rotacja może być też rezultatem zderzenia dwóch mniejszych czarnych dziur. Te scenariusze ukazują proces formowania się galaktyki, ponieważ część materii dryfującej w galaktyce prędzej czy później opadnie na czarną dziurę.

Prędkość rotacji zmierzono poprzez obserwację promieniowania rentgenowskiego. Wzbudzone neutralne oraz częściowo zjonizowane atomy żelaza emitują silne linie spektralne w zakresie promieniowania X. Emisja w szerokim zakresie tych fal w aktywnych galaktykach została zinterpretowana jako fluorescencja spowodowana rozpraszaniem twardego promieniowania X na wewnętrznej krawędzi dysku akrecyjnego (tuż za granicą horyzontu zdarzeń). W tak przyjętym modelu poszerzenie i zniekształcenie linii spektralnych jest spowodowane gwałtowną rotacją czarnej dziury i uwzględnieniem efektów relatywistycznych. Mówiąc prościej charakter linii spektralnych silnie zależy od prędkości rotacji czarnej dziury. Alternatywne teorie, w których zniekształcenia linii spektralnych zależą od absorpcji przez atomy występujące w pobliżu równie dobrze opisują dane pomiarowe. Nie ma więc przesłanek mówiących o tym, która z dwóch teorii jest prawidłowa.

Pomiary wskazują na to, że czarna dziura, która znajduje się w centrum galaktyki NGC 1365 obraca się niemal z maksymalną możliwą dla niej prędkością, która to jest ograniczona przez teorię względności! Wcześniejsze przypadki używania tej techniki sugerowały, że istnieją ekstremalnie szybko wirujące supermasywne czarne dziury w pewnych galaktykach. Jednakże potwierdzenie prędkości obrotu było sprawą bardzo trudną, ponieważ promieniowanie rentgenowskie może mieć wiele różnych źródeł, jak np. mgławice absorpcyjne, leżące blisko dysków akrecyjnych. Do teraz rozdzielenie tych dwóch źródeł nie było możliwe.

W lipcu zeszłego roku, przez łącznie około 36 godzin teleskopy XMM-Newton i NuSTAR z obserwatoriów ESA i NASA jednocześnie obserwowały galaktykę spiralną NGC 1365. Newton prowadził obserwacje w niskoenergetycznym paśmie promieniowania X, a NuSTAR uzupełniał obserwacje o pozostałą część widma rentgenowskiego. Połączenie danych pomiarowych dało szukane rezultaty. Model wirującej czarnej dziury bardzo dokładnie przewidział stosunek niskoenergetycznycznego promieniowania X w stosunku do wysokoenergetycznego. Model mgławic absorpcyjnych także dokonał takiego przewidywania. Jednak przewidywania te różniły się, a dane obserwacyjne potwierdziły tylko model gwałtownie rotującej czarnej dziury. Sugeruje to stały wzrost rozmiarów galaktyki w czasie oraz materię opadającą jednolicie na centrum czarnej dziury. Jednakże, nie można jeszcze wykluczyć zderzenia dwóch galaktyk i ich czarnych dziur, w którego efekcie powstanie jedna szybko rotująca supermasywna czarna dziura.

Za to model absorpcyjny został kompletnie wykluczony. Teraz, kiedy wiadomo jak mierzyć rotację czarnych dziur bez wątpliwości, można dużo pewniej używać metod badających ich wpływ na ewolucję macierzystych galaktyk.

Autor

Andrzej Szkudlarek