Zdjęcie w tle: NASA

Przy pomocy Chandra X-ray Observatory, astronomom z NASA udało się zaobserwować dowody na występowanie potężnego dżetu cząstek pochodzącego z supermasywnej czarnej dziury z czasów wczesnego Wszechświata. Jeśli udałoby się te informacje potwierdzić, byłaby to najdalsza dotychczas zaobserwowana za pomocą promieniowania rentgenowskiego czarna dziura posiadająca dżety, gdyż znajduje się ona 12.7 mld lat świetlnych od Ziemi i pochodzi z czasów, kiedy nasz Wszechświat miał tylko 980 mln lat. Obserwacja dżetu mogłaby pomóc naukowcom w głębszym zrozumieniu procesu formowania się największych czarnych dziur w najwcześniejszych momentach historii naszego Wszechświata.

Źródłem dżetu jest kwazar PSO J352.4034-15.3373, w skrócie PJ352-15. Jest około miliard razy masywniejszy niż Słońce i jest jednym z dwóch kwazarów powstałych w ciągu pierwszego miliarda lat od wielkiego wybuchu zaobserwowanych przy pomocy fal radiowych emitujących tak dużą ilość energii.

Jednak jak to się stało, że tak potężne czarne dziury były w stanie uformować się w tak krótkim czasie? To pytanie jest jednym z kluczowych zagadnień, jakimi zajmuje się współczesna astronomia.

Mimo powszechnego przekonania, że wszystko, co zbliży się do czarnej dziury, jest z góry skazane na wciągnięcie za horyzont zdarzeń, nie zawsze tak się dzieje. Zanim wirująca materia tworząca dysk akrecyjny będzie w stanie horyzont zdarzeń przekroczyć, musi zwolnić i stracić część swojej energii. W pobliżu czarnych dziur występują potężne pola magnetyczne, które zasilając dżety, powodują hamowanie materii wirującej w dysku akrecyjnym. Jest to jeden z głównych czynników wpływających na jej hamowanie i tym samym, na zwiększenie się masy czarnej dziury, wokół której orbituje.

Jednak czemu, żeby być w stanie przekroczyć horyzont zdarzeń, materia musi zostać zwolniona? Posłużmy się tutaj analogią i wyobraźmy sobie, że znajdujemy się w parku rozrywki. Im szybciej karuzela się obraca, tym trudniej jest znajdującym się na niej dzieciom przemieścić ku jej środkowi. Za to zjawisko odpowiedzialna jest siła odśrodkowa, i kiedy zostanie ona zmniejszona na skutek zwolnienia karuzeli, przejście z jej krawędzi na środek nie będzie stanowiło już takiego wyzwania. Analogicznie jest z materią dysku akrecyjnego czarnej dziury – im bardziej zostanie zwolniona, tym łatwiej będzie jej przekroczyć horyzont zdarzeń.

Żeby odkryć dowody na istnienie dżetu w kwazarze PJ352-15, był on obserwowany przez naukowców za pomocą Chandra X-ray Observatory przez łączny czas trzech dni. Emisja promieniowania rentgenowskiego została wykryta około 160 000 lat świetlnych od kwazara. Była ona skierowana w tym samym kierunku co wykryte wcześniej za pomocą fal radiowych znacznie krótsze dżety. Dla porównania średnica Drogi Mlecznej wynosi około 100 000 lat świetlnych, a najdłuższy dotąd zarejestrowany dżet miał „tylko” 5 000 lat świetlnych długości. Jednak PJ352-15 nie tylko pod tym względem jest rekordzistą. Znajduje się też około 300 mln lat świetlnych dalej, niż wcześniejszy najdalej zaobserwowany za pomocą promieniowania rentgenowskiego dżet.

Promieniowanie obserwowane przez nas dzisiaj, zostało wyemitowane, kiedy Wszechświat miał zaledwie 980 mln lat. W tym czasie moc mikrofalowego promieniowania tła była znacznie większa niż obecnie. Co to oznacza? Kiedy elektrony wchodzące w skład dżetu oddalają się od czarnej dziury z prędkością bliską prędkości światła, zderzają się z fotonami tworzącymi mikrofalowe promieniowanie tła i tym samym energia fotonów zostaje podwyższona do zakresu promieniowania rentgenowskiego, dzięki czemu mogą zostać wykryte przez Chandra X-ray Observatory. W tym scenariuszu, promieniowanie rentgenowskie powinno mieć dużo większą jasność niż wykrywane z tego samego dżetu promieniowanie radiowe, co zgadza się z przeprowadzonymi obserwacjami.

„Nasze wyniki pokazują, że obserwacje prowadzone w zakresie promieniowania rentgenowskiego mogą być jednym z najlepszych sposobów badania kwazarów z dżetami z okresów wczesnego Wszechświata” – mówi Daniel Stern z Jet Propulsion Laboratory NASA, współautor przeprowadzonych badań. „Ujmując inaczej, przyszłe obserwacje w tym zakresie mogą okazać się kluczem do poznania naszej kosmicznej przeszłości”.

Autor

Zuzanna Kawalec