Spiralny wiatr pomaga supermasywnej czarnej dziurze w galaktyce ESO320-G030 rosnąć, wspomagany przez pola magnetyczne. Na tej ilustracji rdzeń galaktyki jest zdominowany przez wirujący wiatr gęstego gazu wychodzący na zewnątrz z (ukrytej) supermasywnej czarnej dziury w samym centrum galaktyki. Kolorowe linie ze strzałkami pokazują ruchy gazu śledzone przez światło z cząsteczek cyjanowodoru i widziane przez teleskop ALMA (niebieski oznacza ruch w naszą stronę, czerwony oznacza ruch w naszą stronę). Źródło: MD Gorski/Aaron Geller/Northwestern University/CIERA
Naukowcy zidentyfikowali namagnesowany wiatr w pobliskiej galaktyce, który sprzyja wzrostowi jej centralnego supermasywu czarna dziuraco wskazuje na wspólny mechanizm wzrostu związany z powstawaniem gwiazd.
Supermasywne czarne dziury stawiają astronomów na całym świecie pytania bez odpowiedzi, między innymi: „Jak one rosną tak duże?” Teraz międzynarodowy zespół astronomów, w skład którego wchodzą badacze z Politechnika Chalmers w Szwecji odkryli potężny wirujący wiatr magnetyczny, który ich zdaniem pomaga rosnąć supermasywnej czarnej dziurze w centralnej galaktyce. Wirujący wiatr, ujawniony za pomocą ALMA teleskop w pobliskiej galaktyce ESO320-G030 sugeruje, że podobne procesy biorą udział zarówno we wzroście czarnej dziury, jak i narodzinach gwiazd.
Zrozumienie wzrostu supermasywnych czarnych dziur
Większość galaktyk, łącznie z naszą droga Mleczna mają w swoim centrum supermasywną czarną dziurę. To, w jaki sposób te zadziwiająco masywne obiekty osiągają masę milionów lub miliardów gwiazd, jest od dawna pytaniem astronomów.
Mark Gorski, Katedra Przestrzeni Kosmicznej, Ziemi i Środowiska, Politechnika Chalmers, Szwecja; i Northwestern University w USA. Źródło: Politechnika Chalmers | Christiana Löwhagena
W poszukiwaniu wskazówek dotyczących tej zagadki zespół naukowców pod przewodnictwem Marka Górskiego (Uniwersytet Północno-Zachodni i Chalmers) oraz Susanne Aalto (Chalmers) zdecydowały się zbadać stosunkowo pobliską galaktykę ESO320-G030, odległą zaledwie o 120 milionów lat świetlnych. To bardzo aktywna galaktyka, w której gwiazdy powstają dziesięć razy szybciej niż w naszej galaktyce.
Rola ALMA w odkrywaniu tajemnic galaktycznych
„Ponieważ ta galaktyka jest bardzo jasna w podczerwieni, teleskopy są w stanie dostrzec uderzające szczegóły w jej centrum. Chcieliśmy zmierzyć światło cząsteczek przenoszonych przez wiatry z jądra galaktyki, mając nadzieję prześledzić, w jaki sposób wiatry są wywoływane przez rosnącą lub wkrótce rosnącą supermasywną czarną dziurę. Dzięki ALMA mogliśmy badać światło spoza grubych warstw pyłu i gazu” – mówi Susanne Aalto, profesor radioastronomii na Politechnice Chalmers.
Aby wycelować w gęsty gaz znajdujący się jak najbliżej centralnej czarnej dziury, naukowcy badali światło pochodzące z cząsteczek cyjanowodoru (HCN). Dzięki zdolności ALMA do obrazowania drobnych szczegółów i śledzenia ruchów w gazie – wykorzystując efekt Dopplera – odkryli wzorce sugerujące obecność namagnesowanego, wirującego wiatru.
Dynamika centrum Galaktyki
Podczas gdy inne wiatry i dżety w centrach galaktyk wypychają materię z supermasywnej czarnej dziury, nowo odkryty wiatr dodaje kolejny proces, który zamiast tego może zasilać czarną dziurę i pomagać jej rosnąć.
Susanne Aalto, profesor, Katedra Przestrzeni Kosmicznej, Ziemi i Środowiska, Politechnika Chalmers, Szwecja. Źródło: Politechnika Chalmers | Anna-Lena Lundqvist
„Możemy zobaczyć, jak wiatry tworzą spiralną strukturę wydobywającą się z centrum galaktyki. Kiedy zmierzyliśmy rotację, masę i prędkość materii wypływającej na zewnątrz, ze zdziwieniem odkryliśmy, że możemy wykluczyć wiele wyjaśnień dotyczących siły wiatru, na przykład powstawania gwiazd. Zamiast tego przepływ na zewnątrz może być napędzany napływem gazu i wydaje się, że jest utrzymywany razem przez pola magnetyczne” – mówi Susanne Aalto.
Rola pól magnetycznych w procesach galaktycznych
Naukowcy uważają, że wirujący wiatr magnetyczny pomaga czarnej dziurze rosnąć.
Materia przemieszcza się wokół czarnej dziury, zanim może do niej wpaść – podobnie jak woda wokół odpływu. Materia zbliżająca się do czarnej dziury gromadzi się w chaotycznym, wirującym dysku. Tam pola magnetyczne rozwijają się i stają się silniejsze. Pola magnetyczne pomagają unieść materię z galaktyki, tworząc spiralny wiatr. Utrata materii na rzecz tego wiatru spowalnia również wirujący dysk – oznacza to, że materia może łatwiej przepływać do czarnej dziury, zamieniając strużkę w strumień.
Galaktyczne wiatry: perspektywa porównawcza
Markowi Górskiemu sposób, w jaki to się dzieje, uderzająco przypomina środowisko kosmiczne w znacznie mniejszej skali: wiry gazu i pyłu, które prowadzą do narodzin nowych gwiazd i planet.
„Powszechnie wiadomo, że gwiazdy na pierwszych etapach swojej ewolucji rosną za pomocą wirujących wiatrów – przyspieszanych przez pola magnetyczne, podobnie jak wiatr w tej galaktyce. Nasze obserwacje pokazują, że supermasywne czarne dziury i maleńkie gwiazdy mogą rosnąć w wyniku podobnych procesów, ale w bardzo różnych skalach” – mówi Mark Gorski.
Przyszłe badania i nierozwiązane tajemnice
Czy to odkrycie może być wskazówką do rozwiązania zagadki wzrostu supermasywnych czarnych dziur? W przyszłości Mark Gorski, Susanne Aalto i ich współpracownicy chcą badać inne galaktyki, które mogą kryć w swoich centrach ukryte spiralne wypływy.
„Nie ma odpowiedzi na wszystkie pytania dotyczące tego procesu. W naszych obserwacjach widzimy wyraźne dowody na istnienie wirującego wiatru, który pomaga regulować wzrost centralnej czarnej dziury w galaktyce. Teraz, gdy wiemy, czego szukać, następnym krokiem jest sprawdzenie, jak powszechne jest to zjawisko. A jeśli jest to etap, przez który przechodzą wszystkie galaktyki z supermasywnymi czarnymi dziurami, co dzieje się z nimi dalej?” – pyta Marek Górski.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Wiatry magnetyczne napędzają wzrost czarnych dziur w pobliskiej galaktyce.
Odniesienie: „Spektakularny magnetohydrodynamiczny wiatr napędzany w skali galaktycznej ESO 320-G030” autorstwa MD Gorski, S. Aalto, S. König, CF Wethers, C. Yang, S. Muller, K. Onishi, M. Sato, N. Falstad, JG Mangum, ST Linden, F. Combes, S Martín, M. Imanishi, K. Wada, L. Barcos-Muñoz, F. Stanley, S. García-Burillo, PP van der Werf, AS Evans, C. Henkel, S. Viti, N. Harada, T. Díaz -Santos, JS Gallagher i E. González-Alfonso, 10 kwietnia 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202348821
Więcej o teleskopie ALMA:
- Atacama Large Millimeter/submilimeter Array (ALMA), międzynarodowy obiekt astronomiczny, jest owocem partnerstwa ESO, amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (NSF) i Narodowych Instytutów Nauk Przyrodniczych (NINS) Japonii we współpracy z Republiką Chile. ALMA jest finansowana przez ESO w imieniu państw członkowskich, przez NSF we współpracy z Kanadyjską Krajową Radą ds. Badań Naukowych (NRC) i Krajową Radą ds. Nauki i Technologii (NSTC) na Tajwanie oraz przez NINS we współpracy z Academia Sinica (AS) na Tajwanie oraz Koreański Instytut Astronomii i Nauk o Przestrzeni Kosmicznej (KASI).
- Budową i eksploatacją ALMA kieruje ESO w imieniu swoich państw członkowskich; przez Narodowe Obserwatorium Radioastronomiczne (NRAO), zarządzane przez Associated Universities, Inc. (AUI), w imieniu Ameryki Północnej; oraz przez Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Japonii (NAOJ) w imieniu Azji Wschodniej. Wspólne Obserwatorium ALMA (JAO) zapewnia jednolite przywództwo i zarządzanie budową, uruchomieniem i obsługą ALMA.
- Politechnika Chalmers i Obserwatorium Kosmiczne Onsala są zaangażowane w ALMA od jej powstania; Odbiorniki do teleskopu są jednym z wielu wkładów. Obserwatorium Kosmiczne Onsala jest siedzibą Nordyckiego Centrum Regionalnego Alma, które zapewnia specjalistyczną wiedzę techniczną na potrzeby projektu Alma i wspiera astronomów z krajów nordyckich w korzystaniu z Almy.
Naukowcy zaangażowani w badanie to Mark Gorski, Susanne Aalto, Sabine König, Clare F. Wethers, Chentao Yang, Sebastien Muller, Kyoko Onishi, Mamiko Sato, Niklas Falstad, JG Mangum, ST Linden, F. Combes, S. Martín, M. Imanishi, K. Wada, L. Barcos-Muñoz, F. Stanley, S. García-Burillo, PP van der Werf, AS Evans, C. Henkel, S. Viti, N. Harada, T. Díaz-Santos, JS Gallagher i E. González-Alfonso.
W czasie badania badacze pracowali na: Politechnice Chalmers w Szwecji; Narodowe Obserwatorium Radioastronomiczne, USA; Uniwersytet Massachusetts w Amherst, USA; Uniwersytet PSL, Francja; Europejskie Obserwatorium Południowe, Chile; Narodowe Obserwatorium Astronomiczne Japonii; Uniwersytet w Kagoshimie, Japonia; Uniwersytet Wirginii, USA; Instytut Radioastronomii Millimétrique (IRAM), Francja; Observatorio Astronómico Nacional (OAN-IGN), Hiszpania; Uniwersytet w Lejdzie, Holandia; Instytut Maxa Plancka dla Radioastronomii, Niemcy; Chińska Akademia Nauk, PR Chiny; Uniwersytet króla Abdulaziza, Arabia Saudyjska; University College w Londynie, Wielka Brytania; Absolwent Instytutu Studiów Zaawansowanych, Japonia; Fundacja Badań i Technologii – Hellas (FORTH), Grecja; Uniwersytet Europejski na Cyprze, Uniwersytet Wisconsin, USA; Universidad de Alcalá, Hiszpania; Uniwersytet Północno-Zachodni, USA.
