Obserwacje jednej z odległych galaktyk
Galaktyka aktywna (z ang. Active Galactic Nucleus, w skrócie AGN) to galaktyka, której jądro emituje ogromne ilości energii niepochodzącej z jej normalnych składników (gwiazd, pyłu lub gazu międzygwiazdowego). Energia ta może być emitowana w szerokim zakresie widma elektromagnetycznego.
Jedną z galaktyk aktywnych możliwych do obserwacji nawet amatorskim sprzętem jest M106, galaktyka spiralna w konstelacji „Psy Gończe”, około 24 miliony lat świetlnych od Ziemi. W jej centrum znajduje się supermasywna czarna dziura, III ZW 002, której masa szacowana jest na między 400 a 500 mas Słońca. Wokół III ZW 002 znajduje się dysk akrecyjny, któremu postanowili przyjrzeć się astronomowie z NOIRlab.
Ze względu na rozmiary tej czarnej dziury i ogromną odległość, jaka ją od nas dzieli, nie jesteśmy w stanie bezpośrednio sfotografować dysku akrecyjnego wokół tej niej. Zamiast tego możemy przyjrzeć się pełnemu zakresowi fal, które emituje. Niezwykle silne pływy grawitacyjne czarnej dziury powodują, że materia, z której składa się dysk akrecyjny, rozgrzewa się do ogromnych temperatur (nawet do 10 milionów stopni Celsjusza). W takich warunkach materia emituje promieniowanie w całym spektrum fal elektromagnetycznych.
W spektrum fal zaobserwowanych podczas badań zespół badawczy po raz pierwszy zauważył linie emisyjne w bliskiej podczerwieni (długość fal od 0,8 do 2,5µm). Linie tego typu powstają, gdy atom przyjmuje energię i wkracza w stan wzbudzony – elektrony atomu przechodzą na orbitale o wyższej energii. Gdy atom przyjmie energię, nie oznacza to, że będzie ją „trzymał” w nieskończoność. Po pewnym czasie zostanie ona wyemitowana z powrotem na zewnątrz, a atom wróci tym samym do swojego podstawowego stanu.
Położenie galaktyki M106 na niebie.
Co dają nam te obserwacje?
Gdy wzbudzony atom powraca do stanu podstawowego, emituje on energię, a spektrum fal emitowanych w ten sposób jest unikalne dla każdego pierwiastka. Dzięki temu możemy określić np. z czego składa się atmosfera planety – lub dysk akrecyjny wokół czarnej dziury. Linie emisyjne pochodzące z gwiazd na widmie (zarejestrowanym obrazie promieniowania) są widoczne jako wąskie piki. Materia w dysku akrecyjnym wokół czarnej dziury może osiągać prędkości bliskie światłu, a co za tym idzie, piki na widmie są szersze i niższe. Na dodatek dysk rotuje, co oznacza, że z jednej strony się do nas przybliża, a z drugiej od nas oddala. Skutkuje to wydłużeniem linii emisyjnych pochodzących z regionu dysku, który się od nas oddala i skróceniem linii pochodzących z regionu, który się do nas zbliża
Zjawisko to nazywa się Efektem Dopplera i w tej sytuacji skutkuje ono powstaniem charakterystycznego podwójnego piku, jednego pochodzącego z jednej strony dysku i drugiego z drugiej. Gdy obserwowane linie pochodzą z wewnętrznych części dysku, nie dają nam one informacji na temat jego rozmiarów. Gdyby jednak linie te pochodziły z zewnętrznych części dysku, moglibyśmy dzięki nim zdobyć ogromne ilości przydatnych danych.
Zespół badawczy wykrył podwójny pik, jeden pochodzący z linii wodorowej w dysku, a drugi z linii tlenowej. Zaobserwowano to za pomocą Spektrografu Bliskiej Podczerwieni Gemini (z ang. Gemini Near-Infrared Spectrograph), który jest zdolny do obserwacji całego spektrum bliskiej podczerwieni naraz.
„Nie wiedzieliśmy wcześniej, że III ZW 002 ma profil o podwójnym piku, ale kiedy zredukowaliśmy dane, zobaczyliśmy podwójny pik bardzo wyraźnie. Właściwie zredukowaliśmy dane wielokrotnie, myśląc, że to może być pomyłka, ale zawsze otrzymywaliśmy ten sam ekscytujący wynik.” – mówi Alberto Rodriguez-Ardila, jeden z prowadzących projekt.
Na podstawie tego podwójnego piku astronomowie wyliczyli, że linia wodorowa ma promień 16,77 dnia świetlnego, a linia tlenowa 18,86 dnia świetlnego, określając tym samym rozmiary dysku akrecyjnego. Zespół badawczy będzie kontynuował obserwacje tej czarnej dziury, chcąc zobaczyć, jak zmieniać się będą linie emisyjne wraz z ewolucją galaktyki. Dzięki ich odkryciu wiemy już, że możemy używać także spektrum bliskiej podczerwieni do badania galaktyk aktywnych.
Korekta – Matylda Kołomyjec
