Astronomowie zidentyfikowali największy czarna dziura znana struktura dżetu, nazwana Porphyrion, rozciągająca się na 23 miliony lat świetlnych, czyli około 140 Droga Mleczna galaktyki wyrównane.
Odkrycie to, wyłaniające się z galaktyki o masie około 10 razy większej od naszej Drogi Mlecznej, sugeruje, że takie dżety mogą znacząco wpływać na powstawanie galaktyk i kosmiczne pola magnetyczne.
Odkrycie kolosalnych dżetów z czarnych dziur
Astronomowie odkryli największą parę dżetów czarnych dziur, jaką kiedykolwiek widziano, rozciągającą się na łączną długość 23 milionów lat świetlnych. Można to porównać do ułożenia 140 galaktyk Drogi Mlecznej tyłem do siebie.
„Ta para ma nie tylko wielkość Układu Słonecznego czy Drogi Mlecznej; mówimy łącznie o 140 średnicach Drogi Mlecznej” – mówi Martijn Oei, doktorant z Caltech i główny autor nowego badania Natura dokument przedstawiający ustalenia. „Droga Mleczna byłaby małą kropką w tych dwóch gigantycznych erupcjach”.
Odsłonięcie Porfirionu: rekordowy system odrzutowy
Megastruktura dżetu, nazwana Porphyrion na cześć giganta z mitologii greckiej, pochodzi z czasów, gdy nasz Wszechświat miał 6,3 miliarda lat, czyli mniej niż połowę obecnego wieku, który wynosi 13,8 miliarda lat. Te gwałtowne wypływy – o łącznej mocy równej bilionom słońc – wystrzeliwują z góry i z dołu supermasywnej czarnej dziury w sercu odległej galaktyki.
Przed odkryciem Porphyriona największym potwierdzonym systemem odrzutowym był Alcyoneus, również nazwany na cześć giganta z mitologii greckiej. Alcyoneus, odkryta w 2022 roku przez ten sam zespół, który odkrył Porphyrion, obejmuje obszar odpowiadający około 100 Drogom Mlecznym. Dla porównania, dobrze znane dżety Centaurus A (patrz zdjęcie poniżej), najbliższy Ziemi duży system dżetów, rozciągają się na 10 Drogach Mlecznych.
Szersze implikacje dla kosmicznej ewolucji
Najnowsze odkrycie sugeruje, że te gigantyczne systemy dżetów mogły mieć większy wpływ na powstawanie galaktyk w młodym wszechświecie, niż wcześniej sądzono. Porfirion istniał we wczesnej epoce, kiedy delikatne włókna łączące i zasilające galaktyki, zwane siecią kosmiczną, były bliżej siebie niż obecnie. Oznacza to, że ogromne dżety, takie jak Porphyrion, sięgały przez większą część kosmicznej sieci w porównaniu z dżetami we wszechświecie lokalnym.
„Astronomowie uważają, że galaktyki i ich centralne czarne dziury ewoluują wspólnie, a jednym z kluczowych aspektów tej sytuacji jest to, że dżety mogą rozprzestrzeniać ogromne ilości energii, co wpływa na rozwój ich galaktyk macierzystych i innych galaktyk w ich pobliżu” – mówi współautor George Djorgovski , profesor astronomii i analityki danych w Caltech. „To odkrycie pokazuje, że ich skutki mogą sięgać znacznie dalej, niż sądziliśmy”.
Badanie LOFAR: niebo pełne gigantów
System dżetów Porphyrion jest największym odnalezionym jak dotąd podczas przeglądu nieba, który ujawnił szokującą liczbę słabych megastruktur: ponad 10 000. Tę ogromną populację gigantycznych odrzutowców odkryto przy użyciu europejskich samolotów LOFAR (Niska częstotliwość ARray) radioteleskop.
Chociaż przed obserwacjami LOFAR znane były setki dużych układów dżetowych, uważano, że są one rzadkie i mają średnio mniejsze rozmiary niż tysiące układów odkrytych przez radioteleskop.
„Gigantyczne dżety były znane jeszcze zanim rozpoczęliśmy kampanię, ale nie mieliśmy pojęcia, że okaże się, że będzie ich tak wiele” – mówi Martin Hardcastle, drugi autor badania i profesor astrofizyki na Uniwersytecie w Hertfordshire w Anglii. „Zwykle, gdy uzyskujemy nowe możliwości obserwacyjne, takie jak połączenie szerokiego pola widzenia i bardzo wysokiej czułości LOFAR-a na rozległe struktury, znajdujemy coś nowego, ale nadal bardzo ekscytujące było obserwowanie pojawiania się tak wielu takich obiektów”.
Ponowne odkrycie kosmicznych gigantów
W 2018 roku Oei i jego współpracownicy zaczęli wykorzystywać LOFAR do badania nie dżetów czarnych dziur, ale kosmicznej sieci delikatnych włókien, które przecinają przestrzeń między galaktykami. Kiedy zespół sprawdzał obrazy radiowe pod kątem słabych włókien, zaczął dostrzegać kilka uderzająco długich systemów dżetów.
„Kiedy po raz pierwszy znaleźliśmy te gigantyczne dżety, byliśmy dość zaskoczeni” – mówi Oei, który jest również powiązany z Obserwatorium w Lejdzie w Holandii. „Nie mieliśmy pojęcia, że jest ich tak dużo”.
Aby systematycznie wyszukiwać więcej ukrytych dżetów, zespół zbadał obrazy radiowe naocznie, wykorzystał narzędzia uczenia maszynowego do przeskanowania obrazów w poszukiwaniu oznak zbliżających się dżetów i zwrócił się do naukowców-obywateli z całego świata o pomoc w dokładniejszym przyjrzeniu się obrazom. Artykuł opisujący najnowszą partię gigantycznych wypływów, zawierającą ponad 8000 par strumieni, został przyjęty do publikacji w czasopiśmie Astronomia i astrofizyka.
Śledzenie pochodzenia Porphyriona
Aby znaleźć galaktykę, z której pochodzi Porfyrion, zespół wykorzystał metodę Gigantyczny radioteleskop Metrewave (GMRT) w Indiach wraz z danymi pomocniczymi z projektu o nazwie Instrument do spektroskopii ciemnej energii (DESI), który działa z Obserwatorium Narodowego Kitt Peak w Arizonie. Obserwacje wskazały, że domem dżetów jest potężna galaktyka, około 10 razy masywniejsza od naszej Drogi Mlecznej.
Następnie zespół wykorzystał Obserwatorium WM Keck na Hawajach, aby wykazać, że Porphyrion znajduje się 7,5 miliarda lat świetlnych od Ziemi. „Do tej pory te gigantyczne systemy odrzutowe wydawały się fenomenem współczesnego wszechświata” – mówi Oei. „Jeśli takie odległe dżety mogą osiągnąć skalę kosmicznej sieci, wówczas każde miejsce we wszechświecie mogło zostać dotknięte aktywnością czarnej dziury w pewnym momencie kosmicznego czasu” – mówi Oei.
Czarne dziury w trybie radiacyjnym i nieoczekiwane odkrycia
Obserwacje wykonane przez Kecka ujawniły również, że Porphyrion wyłonił się z tak zwanej aktywnej czarnej dziury działającej w trybie radiacyjnym, w przeciwieństwie do czarnej dziury znajdującej się w trybie strumieniowym. Uważa się, że kiedy supermasywne czarne dziury stają się aktywne – innymi słowy, kiedy ich ogromne siły grawitacyjne przyciągają i podgrzewają otaczającą materię – emitują energię w postaci promieniowania lub dżetów. Czarne dziury w trybie radiacyjnym były częstsze w młodym, czyli odległym wszechświecie, podczas gdy czarne dziury w trybie dżetowym są częstsze we współczesnym wszechświecie.
Fakt, że Porphyrion pochodzi z czarnej dziury działającej w trybie radiacyjnym, był zaskoczeniem, ponieważ astronomowie nie wiedzieli, że ten tryb może wytwarzać tak ogromne i potężne dżety. Co więcej, ponieważ Porphyrion leży w odległym wszechświecie, w którym występuje mnóstwo czarnych dziur w trybie radiacyjnym, odkrycie sugeruje, że do odkrycia może być znacznie więcej kolosalnych dżetów.
„Być może mamy do czynienia z wierzchołkiem góry lodowej” – mówi Oei. „Nasze badanie LOFAR objęło jedynie 15 procent nieba. A większość z tych gigantycznych dżetów jest prawdopodobnie trudna do wykrycia, dlatego wierzymy, że takich gigantów jest znacznie więcej.”
Ciągłe tajemnice
Nadal nie jest jasne, w jaki sposób dżety mogą sięgać tak daleko poza galaktyki macierzyste bez destabilizacji. „Praca Martijna pokazała nam, że nie ma nic szczególnego w środowiskach tych gigantycznych źródeł, co powodowałoby, że osiągały one tak duże rozmiary” – mówi Hardcastle, ekspert w dziedzinie fizyki dżetów czarnych dziur. „Moja interpretacja jest taka, że potrzebujemy niezwykle długotrwałego i stabilnego zdarzenia akrecyjnego wokół centralnej, supermasywnej czarnej dziury, aby umożliwić jej aktywność przez tak długi czas – około miliarda lat – i aby mieć pewność, że dżety będą skierowane w tym samym kierunku przez cały ten czas. Z dużej liczby gigantów dowiadujemy się, że musi to być stosunkowo częste zjawisko.”
Kolejnym krokiem Oei będzie chciał lepiej zrozumieć, w jaki sposób te megastruktury wpływają na otoczenie. Dżety rozprzestrzeniają promienie kosmiczne, ciepło, ciężkie atomy i pola magnetyczne w przestrzeni pomiędzy galaktykami. Oei jest szczególnie zainteresowany ustaleniem, w jakim stopniu gigantyczne dżety rozprzestrzeniają magnetyzm. „Magnesizm na naszej planecie pozwala na rozwój życia, dlatego chcemy zrozumieć, jak to się stało” – mówi. „Wiemy, że magnetyzm przenika kosmiczną sieć, następnie przedostaje się do galaktyk i gwiazd, a ostatecznie do planet, ale pytanie brzmi: gdzie się zaczyna? Czy te gigantyczne dżety rozprzestrzeniły magnetyzm w kosmosie?”
Odniesienie: „Dżety czarnych dziur w skali kosmicznej sieci”: Martijn SSL Oei, Martin J. Hardcastle, Roland Timmerman, Aivin RDJGIB Gast, Andrea Botteon, Antonio C. Rodriguez, Daniel Stern, Gabriela Calistro Rivera, Reinout J. van Weeren, Huub JA Röttgering, Huib T. Intema, Francesco de Gasperin i SG Djorgovski, 18 września 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07879-y
The Natura badanie „Dżety czarnych dziur w skali kosmicznej sieci” zostało sfinansowane przez Holenderską Radę ds. Badań Naukowych, Europejską Radę ds. Badań Naukowych, brytyjską Radę ds. Obiektów Naukowych i Technologicznych, brytyjskie stypendium Future Leaders Fellowship ds. Badań i Innowacji oraz Unię Europejską. Inni autorzy Caltech to absolwent Antonio Rodriguez. Dodatkowymi autorami są Roland Timmerman z Uniwersytetu w Durham; Reinout J. van Weeren, Huub JA Röttgering i Huib T. Intema z Uniwersytetu w Lejdzie (Timmerman jest również powiązany z Uniwersytetem w Lejdzie); Aivin RDJGIB Gast z Uniwersytet Oksfordzki; Andrea Botteon i Francesco de Gasperin z Instytutu Radioastronomii Włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki; Daniel Stern z Laboratorium Napędów Odrzutowych zarządzanego przez Caltech ds NASA; oraz Gabriela Calistro Rivera z Europejskiego Obserwatorium Południowego i Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki.
