Nie tylko w olbrzymich galaktykach eliptycznych obserwujemy tajemnicze zdarzenia. Każda czarna dziura, a szczególnie taka z układu podwójnego, może spróbować przejąć władzę nad swoim otoczeniem. Czarna dziura wewnątrz galaktyki spiralnej M83 obżera się ponad miarę. Czarne dziury teoretycznie stosują się do zasady związanej z jasnością Eddingtona. Mówi ona, ile energii wirująca czarna dziura może wystrzelić w dżetach, wiatrach i promieniowaniu. Powyżej pewnego limitu ciśnienie promieniowania odcina napływ gazu i głodzi bestię, powstrzymując wypływ energii. Czarnym dziurom zdarza się przekroczyć ten limit, ale tylko na krótki czasu.

Artykuł napisała Bernadetta Fryczkowska.

Poznajemy detektywa i jego metody

Jednakże, jak podał do wiadomości Robert Soria (Curtin University w Australii) z zespołem w czasopiśmie „Science” z 27 lutego, pewna czarna dziura z orbitującą wokół siebie gwiazdą, 15 milionów lat świetlnych od nas, wydaje się przekraczać ten limit od około 20 tysięcy lat.

Zespół badał układ podwójny zwany MQ1, używając najlepszych naziemnych i kosmicznych teleskopów. Badania były przeprowadzane na wszystkich długościach fal, od promieniowania X, przez widzialne, podczerwone, aż do radiowego . Promieniowanie rentgenowskie pochodzi z dysku akrecyjnego czarnej dziury. Opierając się na statystykach dla danej masy, użyto jasności w promieniowaniu X, żeby oszacować poziom aktywności czarnej dziury.

Następnie astronomowie zwrócili uwagę na coś, co wygląda jak wielki bąbel dookoła MQ1. Wydawało się, że został on nadmuchany przez dżety z czarnej dziury. Opierając się na emisji podgrzewanego gazu z bąbla, obliczono, jak wiele energii było do niego wpompowane i dzięki temu uśredniono moc, jaką powinny mieć dżety, aby go tak ogrzać.

Ostatecznie użyto szacunków dotyczących mocy dżetów, wielkości bąbla i gęstości gazu, aby obliczyć, jak długo powiększała się ta struktura i, co za tym idzie, ile ma lat.

Po złożeniu wyników okazało się, że czarna dziura ma masę między 10 a 115 mas Słońca. Najbardziej prawdopodobny wydawał się jednak wynik około czterdziestu. Przez okres około 20 tysięcy lat wystrzeliła ona w swoje otoczenie prawie 10⁵² ergów energii, dziesięć razy więcej niż typowa supernowa podczas eksplozji.

Galaktyka M83

I oto nasza zagadka

Jeśli badana czarna dziura naprawdę ma masę około 40 mas Słońca, to wyprodukowana energia jest kilka razy większa niż limit Eddingtona dla tego obiektu. Problem jest jeszcze poważniejszy dla lżejszych ciał.

Astronomowie zaobserwowali jeszcze kilka innych układów, włączając w to zupełnie inny, chwilowy system, który również odkrył zespół Sorii w M83, podobnych w emisji energii do MQ1. Jednakże wykrycie promieniowania rentgenowskiego pochodzącego z dysku akrecyjnego daje jedyną szansę zbadania masy czarnej dziury.

„A to właśnie masa jest kluczowa w tym przypadku. Jeżeli czarna dziura ma masę z górnej granicy przedziału, nasz problem może zostać załagodzony. Niestety przez odległość i ograniczenia obserwacyjne dokładne zbadanie masy tej czarnej dziury jest prawie niemożliwe” – mówi Soria.

Joey Neilsen (Uniwersytet Bostoński) mówi, że według niego zagadka nie leży w tym, że mamy do czynienia z byłym super-Eddingtonem, którym badany obiekt już nie jest. Problemem jest to, że czarna dziura przekracza limit zbyt długo. Czarne dziury o masie Słońca znajdujące się w układach podwójnych często włączają się na kilka miesięcy albo lat, wypluwając dżety, aby następnie ucichnąć na dekadę albo i dłużej. Jeżeli MQ1 działałby w takich seriach, to aby przeciętnie mieć masę super-Eddingtona przez te kilka tysięcy lat musiałby wyrzucać w rozbłyskach znacznie więcej energii.

Sherlock jak zawsze zwycięża

Soria uważa, że czarna dziura mogłaby przekroczyć 3 do 4 razy swój limit Eddingtona przez około 100 tysięcy lat, jeżeli duża ilość gęstego, nieprzezroczystego gazu pochodzącego z sąsiadującej masywnej gwiazdy była przez nią wchłonięta. Gorący gaz pochłaniany przez czarną dziurę wytwarza tyle promieniowania, że ciśnienie może zatrzymać wsysanie materii. Jednakże, jeżeli gaz jest bardzo gęsty i nieprzezroczysty dla promieniowania, ucieczka fotonów jest opóźniona. Czasami nie mają one nawet czasu, aby wyłonić się zanim otaczający je gaz przejdzie za horyzont zdarzeń. Z tego powodu fotony nie mogą „spełnić swojego obowiązku odsunięcia gazu” – mówi Soria. Podejrzewa on, że właśnie to stało się z MQ1.

Z drugiej strony, jeżeli czarna dziura ma masę z górnej granicy przedziału, co również byłoby interesujące, astronomowie musieliby wymyślić nową teorię, ponieważ nie ma żadnych solidnych dowodów na to, że obecna działa zarówno dla czarnych dziur o masie kilku mas Słońca, czy również dla olbrzymich molochów czających się gdzieś pośrodku galaktyk.

Neilsen podsumował to w ten sposób: „Cokolwiek się dzieje, jest to naprawdę interesujące„.