Galaktyka nagle rozbłysła i okazało się, że jej czarna dziura ma „czkawkę”

W centrum odległej galaktyki nagle rozbłysła supermasywna czarna dziura i okazało się, że ma ona „czkawkę”. To pierwsze znane zjawisko tego typu. Członkowie międzynarodowego zespołu badawczego uważają, że najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tego zjawiska jest obecność mniejszej czarnej dziury, która krąży wokół supermasywnego towarzysza, wyrzucając do 8,5 doby materiał z jego dysku akrecyjnego. Taka hipoteza to wyzwanie dla dotychczasowych poglądów na dyski akrecyjne czarnych dziur, które są postrzegane jako dość jednolite skupiska materiału. Nowe badania sugerują, że mogą one być zróżnicowane i zawierać inne czarne dziury czy nawet gwiazdy.

Sądziliśmy, że sporo wiemy o czarnych dziurach, ale to pokazuje, że jeszcze wiele musimy się nauczyć. Uważamy, że istnieją inne podobne systemy, potrzebujemy po prostu więcej danych, by je znaleźć, stwierdza Dheeraj Pasham z Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

Odkrycia niezwykłego podwójnego układu czarnych dziur dokonano za pomocą ASAS-SN (All Sky Automated Survey for SuperNovae). To zespół 20 automatycznych teleskopów rozmieszczonych na obu półkulach, które codziennie dokonują przeglądu nieboskłonu w poszukiwaniu supernowych i innych przemijających zjawisk.

W grudniu 2020 roku teleskopy zarejestrowały rozbłysk w galaktyce oddalonej o 800 milionów lat świetlnych. Galaktyka nagle pojaśniała 1000-krotnie. A stało się to w regionie nieboskłonu, który dotychczas wydawał się dość ciemny i spokojny. Informacja o rozbłysku została automatycznie rozesłana do astronomów i zobaczył ją Pasham. Uczony postanowił przyjrzeć się temu zjawisku za pomocą teleskopu NICER (Neutron star Interior Composition Explorer), umieszczonego na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. NICER monitoruje nieboskłon w poszukiwaniu rozbłysków w paśmie promieniowania rentgenowskiego. Zjawiska takie mogą świadczyć o aktywności gwiazd neutronowych czy czarnych dziur. Był w tym wszystkim łut szczęścia, gdyż powoli dobiegał końca roczny okres, w którym Pasham miał pozwolenie na kierowanie NICAR na wybrane przez siebie obiekty. Mogłem użyć tego teleskopu, albo stracić okazję na obserwację. Okazało się, że to mój najszczęśliwszy zawodowy przypadek, mówi uczony.

NICER obserwował odległą galaktykę przez cztery miesiące, zanim jej jasność wróciła do normy. Gdy uczony bliżej przyjrzał się danym zauważył, że w bardzo wąskim zakresie promieniowania rentgenowskiego co 8,5 doby pojawiają się niewielkie spadki jasności. Wzorzec był podobny do tego, co można zaobserwować, gdy planeta przechodzi na tle gwiazdy, na krótko blokując część jej światła. Jednak żadna gwiazda nie byłaby w stanie zablokować rozbłysku całej galaktyki. Nie wiedziałem co to oznacza. Ten wzorzec nie pasował do niczego, co wiedzieliśmy o takich systemach, mówi Pasham.

W końcu uczony trafił na artykuł opublikowany niedawno przez fizyków-teoretyków z Czech. Pisali oni, że teoretycznie jest możliwe, by wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki krążyła druga, znacznie mniejsza czarna dziura. Czescy uczeni stwierdzali, że taka czarna dziura okresowo przebijałaby się przez dysk akrecyjny większej towarzyszki, doprowadzając do rozrzucenia gazu. Potężne pola magnetyczne na południe i północ czarnej dziury powodowałyby, że gaz ten byłby kierowany w górę i w dół od dysku akrecyjnego. Za każdym razem, gdy mniejsza czarna dziura przebijałaby dysk akrecyjny, pojawiałby się strumień gazu. Gdyby zaś ten strumień był skierowany w stronę obserwującego teleskopu, to całe zjawisko wyglądałoby jak okresowe spadki jasności galaktyki – stwierdzali teoretycy z Czech. Byłem niesamowicie podekscytowany ich teorią. Od razu napisałem do nich maila z informacją, że zaobserwowałem to, co opisali, wspomina Pasham.

Naukowiec wspólnie z czeskimi kolegami przeprowadzili symulacje z wykorzystaniem danych z NICER i okazało się, że wszystko do siebie pasuje. Symulacje wykazały, że badany przez nich system składa się z galaktyki, której supermasywna centralna czarna dziura ma masę około 50 milionów razy większą niż masa Słońca. Jest więc około 12 razy bardziej masywna niż czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej. Wokół tej potężnej czarnej dziury może znajdować się rozproszony słabo widoczny dysk akrecyjny oraz mniejsza czarna dziura o masie od 100 do 10 000 mas Słońca. W grudniu 2020 roku jakiś trzeci obiekt, prawdopodobnie gwiazda, znalazł się zbyt blisko supermasywnej czarnej dziury i został rozerwany przez siły pływowe. Wywołany tym zjawiskiem nagły dopływ materiału do dysku akrecyjnego spowodował gwałtowne pojaśnienie całej galaktyki. Przez cztery miesiące supermasywna czarna dziura wchłaniała dodatkową materię, a mniejsza czarna dziura kontynuowała swą podróż wokół większego towarzysza. Regularnie wyrzucała przy tym materiał dysku akrecyjnego, a jego strumień był skierowany na wprost teleskopu NICER.

Mamy tutaj wspaniały przykład, jak szczątki ze zniszczonej gwiazdy mogą rozświetlić wnętrze jądra galaktyki, które w innym przypadku pozostałoby dla nas ciemne. To tak, jakbyśmy wpuścili fluorescencyjny barwnik, by odnaleźć wyciek w rurociągu, mówi Richard Saxton z European Space Astronomy Centre, który nie był zaangażowany w badania. To pokazuje nam, że układy podwójne czarnych dziur mogą powszechnie występować w jądrach galaktyk. Ich poszukiwanie może być zadaniem przyszłych wykrywaczy fal grawitacyjnych, dodaje uczony.

Galaktyka nagle rozbłysła i okazało się że jej czarna dziura ma „czkawkę”