Głodujące czarne dziury migotają silniej

Naukowcy odkryli, że tempo opadania materii na czarną dziurę w procesie akrecji jest jedynym czynnikiem, od jakiego zależy ilość światła emitowanego przez jądra aktywnych galaktyk.

Czarne dziury są z natury trudne do bezpośredniego zbadania. Światło nie może uciec przed grawitacją tych masywnych obiektów, więc trzeba je obserwować całkiem innymi metodami. Nowe badania wykonane przez zespół astronomów z Chile ujawnił teraz coś, co było niejasne już od dawna: ilość światła emitowanego przez czarne dziury zależy od jednej i najprawdopodobniej tylko od jednej rzeczy: tempa, w jakim materia jest pochłaniana przez daną czarną dziurę.

Praca na ten temat ukazała się z początkiem września w Astrophysical Journal. Jej autorzy podjęli próbę określenia fizycznych mechanizmów, jakie kryją się za obserwowaną zmiennością supermasywnych czarnych dziur rezydujących w centrach aktywnych galaktyk. Dziury te "żywią się" okoliczną materią galaktyki, którą ściągają na siebie w procesie akrecji. Posiadają dyski akrecyjne zbudowane z opadającego na nie wówczas po torach spiralnych materiału, stopniowo kierującego się bardziej do wewnątrz. Ponad horyzontem zdarzeń dyski te świecą bardzo jasno, ponieważ zasysana materia ogrzewa się w nich silnie na skutek tarcia. Emitowane jest wtedy nie tylko światło, ale i znacznie bardziej energetyczne promieniowanie rentgenowskie.

Takie dyski akrecyjne cechuje też zmienność jasności, a astronomowie nie są do końca pewni, z czego ona wynika. Zmienność przejawia się między innymi zmieniającą się ilością emitowanego przez niego światła. Naukowcy z Chile połączyli ze sobą dane z przeglądów SDSS (Sloan Digital Sky Survey) i QUEST-La Silla AGN Variability Survey celem zbadania zależności pomiędzy parametrami fizycznymi dla około dwóch tysięcy galaktyk aktywnych (AGN-ów). Badano parametry takie jak zmienność optyczna, masa, tempo akrecji i tempo wzrostu czarnych dziur.

Wnioski z tych analiz zaskoczyły samych autorów pracy. Zdaniem głównej autorki Pauli Sánchez-Sáez w przeciwieństwie do wcześniejszych założeń jedyną istotną własnością fizyczną tłumaczącą obserwowaną zmienność jasności AGN-ów jest tempo akrecji materii na supermasywne czarne dziury w ich centrach. Wyniki te rzucają wyzwanie starym paradygmatom, według których amplituda zmienności aktywnych galaktyk zależeć miała głównie od ich jasności. Zakładano wcześniej, że jaśniejsze obiekty tego typu są silniej zmienne od tych słabiej świecących. Tymczasem w toku omawianych badań odkryto, że to właśnie tempo zasilania czarnej dziury nowym materiałem stanowi jedyny istotny czynnik determinujący tą zmienność - niezależnie od ogólnej jasności galaktyki.

Warto dodać, że w przeszłości trudno było dokładnie zmierzyć masy poszczególnych czarnych dziur, a tym samym związane z nimi współczynniki akrecji. Tylko dzięki nowszym danym dostarczonym przez duże przeglądy astronomowie są dziś w stanie poprawnie pod względem statystycznym testować tego rodzaju założenia teoretyczne.

Co więcej, badanie ujawniło jeszcze inny związek: czarne dziury akreujące najmniej materii są najbardziej zmienne. Z naukowego punktu widzenia amplituda zmienności jest zatem odwrotnie proporcjonalna do tempa akrecji. Te wstępne badania oparte są jednak na informacjach z przeglądu QUERS-LA Silla AGN Variability Survey, obejmującego okres około pięciu lat obserwacji. Teraz naukowcy zamierzają przeprowadzić jeszcze bardziej szczegółową analizę zmienności aktywnych galaktyk - z użyciem dużo większej ilości danych. W tym celu będą musieli poczekać na przyszłe wielkie przeglądy nieba, takie jak zaplanowany na rok 2022 Large Synoptic Survey Telescope.

 

Czytaj więcej:

 

Na zdjęciu: Artystyczna wizja Teleskopu Hubble'a w aktywnej galaktyce Arp 220, w której centrum znajduje się supermasywna czarna dziura.
Źródło: NASA/JPL-Caltech