NuSTAR bada tajemnicę dżetów czarnych dziur

Czarne dziury słyną z tego, że mają „wilczy apetyt”, jednak nie pożerają wszystkiego, co na nie opada. Mała część materii zostaje wystrzelona jako potężne strumienie gorącego gazu, zwanego plazmą, która może siać spustoszenie w ich otoczeniu. Po drodze plazma zostaje w jakiś sposób wystarczająco naładowana, aby silnie promieniować światłem, tworząc dwie jasne kolumny wzdłuż osi obrotu czarnej dziury. Naukowcy długo debatowali, gdzie i w jaki sposób się to dzieje w dżetach.

Astronomowie mają nowe tropy dotyczące tej tajemnicy. Korzystając z kosmicznego teleskopu NuSTAR oraz szybkiej kamery ULTRACAM w Obserwatorium Williama Herschela w La Palma, w Hiszpanii, naukowcy byli w stanie zmierzyć odległość, jaką przemierzają cząsteczki w dżetach, zanim się „włączą”, stając się jasnymi źródłami światła. Odległość ta nazywa się „strefą przyspieszenia”. 

Naukowcy przyjrzeli się dwóm układom w Drodze Mlecznej, w których każdy składa się z czarnej dziury żywiącej się normalną gwiazdą. Badali te układy w różnych momentach wybuchów, kiedy dysk akrecyjny rozjaśniał się przez materię na niego opadającą.

Jeden z systemów, nazywany V404 Cygni, osiągnął niemal najwyższą jasność, gdy naukowcy zaobserwowali go w czerwcu 2015 roku. W tym czasie doświadczył najjaśniejszego wybuchu rentgenowskiego widzianego w XXI wieku. Drugi układ, zwany GX 339-4, gdy został wykryty, miał mniej niż 1% swojej maksymalnej spodziewanej jasności. Gwiazda i czarna dziura w GX 339-4 są znacznie bliżej siebie, niż ma to miejsce w układzie V404 Cygni.

Pomimo różnic, układy wykazały podobne czasowe opóźnienie – około 1/10 sekundy – pomiędzy momentem, w którym NuSTAR wykrył światło rentgenowskie a ULTRACAM, który wykrył błyski w świetle widzialnym nieco później. Opóźnienie to trwa mniej niż mrugnięcie okiem, ale dla fizyki dżetów z czarnej dziury jest bardzo znaczące.

„Jedna z możliwości jest taka, że fizyka dżetu nie jest określona przez wielkość dysku, lecz przez prędkość, temperaturę i inne właściwości cząstek dżetu” – powiedział Poshak Gandhi, główny autor badań i astronom na Uniwersytecie Southampton, Wielka Brytania.

Najlepsza teoria wyjaśniająca te wyniki jest taka, że światło rentgenowskie pochodzi z materii bardzo blisko czarnej dziury. Silne pola magnetyczne napędzają część tej materii do wysokich prędkości wzdłuż dżetu. Powoduje to zderzanie się cząstek bliskich prędkości światła, pobudzając plazmę, dopóki nie zacznie emitować strumienia promieniowania optycznego uchwyconego przez ULTRACAM. 

Gdzie to zachodzi w dżecie? Zmierzone opóźnienie między światłem optycznym a promieniowaniem rentgenowskim wyjaśnia to. Mnożąc ten czas przez prędkość cząsteczek, która jest prawie równa prędkości światła, astronomowie określają maksymalną przebytą drogę.

Obszar 30 000 km reprezentuje wewnętrzną strefę przyspieszenia w dżecie, gdzie plazma odczuwa najsilniejsze przyspieszenie i „włącza się” emitując światło. To prawie trzy razy więcej, niż średnica Ziemi, ale niewiele w kosmicznej skali, zwłaszcza biorąc pod uwagę czarną dziurę w V404 Cygni o wadze aż 3 milionów mas Ziemi.

„Astronomowie mają nadzieję udoskonalić modele mechanizmów napędzania dżetów za pomocą wyników tych badań” – powiedział Daniel Stern, współautor i astronom z Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie, Kalifornia.

Wykonanie tych pomiarów nie było łatwe. Teleskopy rentgenowskie w kosmosie oraz optyczne na ziemi muszą na takie układy dokładnie w tym samym czasie podczas wybuchów, aby naukowcy obliczyli niewielkie opóźnienie pomiędzy wykryciem przez teleskopy. Taka koordynacja wymaga złożonego planowania pomiędzy zespołami obserwacyjnymi. W rzeczywistości koordynacja pomiędzy NuSTAR i ULTRACAM była możliwa tylko przez około godzinę podczas wybuchu w 2015 roku, ale wystarczyło, aby obliczyć przełomowe wyniki dotyczące strefy przyspieszenia.

Wydaje się również, że wyniki łączą się ze zrozumieniem przez naukowców supermasywnych czarnych dziur, znacznie większych niż te brane pod uwagę w badaniu. W jednym supermasywnym układzie, zwanym BL Lacertae, ważącym 200 milionów Słońc, naukowcy wywnioskowali, że opóźnienia czasowe są miliony razy większe niż to, co stwierdzono w tym badaniu. Oznacza to, że obszar przyspieszenia dżetów jest prawdopodobnie związany z masą czarnej dziury.

Astronomowie cieszą się, ponieważ prawdopodobnie znaleźli miernik związany z wewnętrznym działaniem dżetów, nie tylko w czarnych dziurach o masach gwiazdowych, jak ma to miejsce w przypadku V404 Cygni, ale także w supermasywnych potworach. Następnym krokiem jest potwierdzenie tego zmierzonego opóźnienia w obserwacjach innych układów rentgenowskich i opracowanie teorii, która może wiązać dżety w czarnych dziurach każdej wielkości.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
NuSTAR Probes Black Hole Jet Mystery

Źródło: JPL

Na zdjęciu: Wizja artystyczna czarnej dziury z dyskiem akrecyjnym i dżet gorącego gazu, zwany plazmą. Źródło: NASA/JPL-Caltech