Οι αστρονόμοι μπορεί να πλησιάζουν στην επίλυση ενός μακροχρόνιου μυστηρίου σχετικά με τον μεγαλύτερο γαλαξία του σύμπαντος. Οι παρατηρήσεις από την αποστολή απεικόνισης και φασματοσκοπίας ακτίνων Χ, γνωστή ως XRISM, παρέχουν νέα στοιχεία ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μπορεί να εμποδίσουν αυτούς τους τεράστιους γαλαξίες να σχηματίσουν τόσα αστέρια όπως αναμενόταν.
Σύμφωνα με τα τρέχοντα μοντέλα, οι πιο ογκώδεις γαλαξίες θα πρέπει να έχουν μεγαλύτερη αστρική μάζα από ό,τι παρατηρούν οι αστρονόμοι. Το έλλειμμα δείχνει ότι κάποια διαδικασία καταστέλλει το σχηματισμό άστρων. Ο διδακτορικός φοιτητής του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, Jean “Cindy” Jiang, χρησιμοποίησε δεδομένα XRISM για να διερευνήσει μια κορυφαία εξήγηση και βρήκε στοιχεία που δείχνουν απευθείας τις μαύρες τρύπες.
Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν τις μαύρες τρύπες ως αντικείμενα των οποίων η βαρύτητα είναι τόσο ισχυρή που το φως δεν μπορεί να διαφύγει ακόμη και αφού περάσει ένα συγκεκριμένο όριο. Ωστόσο, οι μαύρες τρύπες μπορούν επίσης να δημιουργήσουν εξαιρετικά φωτεινές περιοχές γύρω τους. Καθώς το αέριο και η σκόνη κινούνται προς τα μέσα, σχηματίζουν έναν δίσκο προσαύξησης που εκπέμπει μεγάλες ποσότητες ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων ισχυρών ακτίνων Χ.
Άνεμοι μαύρης τρύπας και σχηματισμός αστεριών
Οι δίσκοι προσαύξησης είναι ένα από τα πιο ενεργητικά περιβάλλοντα στο Σύμπαν. Το υλικό που πέφτει προς τη μαύρη τρύπα θερμαίνεται από τη βαρύτητα και την τριβή μέχρι να γίνει ένα έντονα καυτό πλάσμα. Ταυτόχρονα, ο δίσκος μπορεί να προκαλέσει ισχυρή εκροή υλικού.
Αυτοί οι άνεμοι μπορεί να είναι αρκετά ισχυροί ώστε να εκτοξεύουν αέριο από τους γαλαξίες. Δεδομένου ότι το αέριο είναι η απαραίτητη πρώτη ύλη για το σχηματισμό νέων άστρων, τέτοιες εκροές μπορούν να επιβραδύνουν σημαντικά τον μελλοντικό σχηματισμό άστρων.
Τα δεδομένα από το XRISM υποστηρίζουν αυτή τη δυνατότητα. Επικεφαλής της αποστολής είναι η Ιαπωνική Υπηρεσία Αεροδιαστημικής Εξερεύνησης σε συνεργασία με τη NASA και τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος.
«Πριν, χωρίς το XRISM, μπορούσαμε να δούμε μόνο τα γενικά χαρακτηριστικά της εκροής», είπε ο Jiang. “Αλλά πρέπει να είστε σε θέση να επιλύσετε τα λεπτά χαρακτηριστικά για να απαντήσετε στις σημαντικές ερωτήσεις. Ποιες είναι οι δομές και η γεωμετρία τους; Πώς ενεργοποιούνται οι άνεμοι και πότε ενεργοποιούνται;”
Το XRISM παρέχει πιο ευκρινή άποψη
Το XRISM, που ξεκίνησε το 2023, ξεκινά επιστημονικές παρατηρήσεις το φθινόπωρο του 2024. Η ενεργειακή του ανάλυση είναι περίπου 10 φορές καλύτερη από τον προκάτοχό του, επιτρέποντας στους αστρονόμους να εξετάσουν τα περιβάλλοντα των μαύρων τρυπών με μεγαλύτερη λεπτομέρεια.
Ο Jiang και οι συνεργάτες του εστίασαν στον NGC 4151, έναν φωτεινό γαλαξία λίγο περισσότερο από 50 εκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη. Στο κέντρο του βρίσκεται ένας ενεργός γαλαξιακός πυρήνας, ή AGN, όπου μια υπερμεγέθης μαύρη τρύπα καταναλώνει ενεργά υλικό και σχηματίζει έναν φωτεινό δίσκο προσαύξησης. Αυτό καθιστά το NGC 4151 ιδανικό εργαστήριο για τη μελέτη εκροών που προκαλούνται από μαύρες τρύπες.
“Με το XRISM, έχουμε τη μεγαλύτερη ανάλυση για να παρατηρήσουμε το πιο φωτεινό AGN και λαμβάνουμε τις πιο πλούσιες πληροφορίες για την εκροή που έχει παρατηρηθεί ποτέ για έναν δίσκο προσαύξησης”, είπε ο Jiang.
Σε συνεργασία με τον καθηγητή αστρονομίας του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν, John Miller, ο Jiang έδειξε προηγουμένως ότι ο άνεμος από τον δίσκο προσαύξησης του NGC 4151 μπορεί να φτάσει αρκετά υψηλές ταχύτητες για να εκτοξεύσει υλικό από το σύστημα. Προσδιόρισε επίσης τον πιθανό μηχανισμό που οδηγεί αυτή την εκροή (που ονομάζεται μαγνητοκεντρική οδήγηση και παρόμοιος με τις ηλιακές εκλάμψεις).
Παρακολούθηση των πιο γρήγορων εκροών μαύρης τρύπας
Ο Jiang παρουσίασε μια νέα μέθοδο για τον προσδιορισμό του πότε είναι ενεργός ο δυνατός άνεμος του NGC 4151 στην 248η συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας στην Πασαντένα της Καλιφόρνια. Η μέθοδος θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να εντοπίσουν παρόμοιες εκροές σε άλλους γαλαξίες και να βελτιώσουν την κατανόηση του AGN σε όλο το σύμπαν.
Επειδή οι άνεμοι AGN μπορεί να ποικίλλουν δραματικά με το χρόνο, ο Jiang χρειαζόταν έναν τρόπο να εντοπίσει πότε συνέβησαν οι ταχύτερες και ισχυρότερες εκροές. Για να το κάνει αυτό, ανέλυσε εκατοντάδες ημέρες παρατηρήσεων XRISM του NGC 4151.
Το έργο του επικεντρώνεται στην περίοδο κατά την οποία η έξοδος ακτίνων Χ του γαλαξία αναβοσβήνει και πώς το σήμα των ακτίνων Χ εξελίσσεται τις επόμενες ώρες.
Εκτός από τη μέτρηση της φωτεινότητας, ο Jiang μελέτησε εάν οι ανιχνευθείσες ακτίνες Χ ήταν σχετικά σκληρές ή μαλακές, ιδιότητες συγκρίσιμες με τα χρώματα στο ορατό φως. Συνδύασε αυτές τις μετρήσεις σε μια νέα μέτρηση που ονομάζεται δείκτης έντασης χρώματος. Ο Μίλερ πρότεινε να συντομευτεί το όνομα σε “Sindicity”.
«Εν μέρει επειδή με λένε Σίντι», είπε ο Τζιανγκ. «Αλλά η ιδέα είναι ότι, στο μέλλον, μπορείτε να μου πείτε τη συνδικαλικότητα της πηγής σας σε αυτό το σημείο και μπορώ να σας πω την πιθανότητα να βλέπετε γρήγορες εκροές».
Μια νέα χρονική σύνδεση μεταξύ των μαύρων τρυπών και του γαλαξιακού ανέμου
Η ανάλυση αποκάλυψε ένα εκπληκτικό μοτίβο. Στο NGC 4151, ο ισχυρότερος γρήγορος άνεμος εμφανίστηκε όταν οι ακτίνες Χ ήταν ισχυρές αλλά σχετικά αχνές.
Οι πιο γρήγορες εκροές δεν εμφανίστηκαν κατά τις εκλάμψεις ακτίνων Χ. Αντίθετα, εμφανίζονται συνήθως μετά από περίπου 10.000 δευτερόλεπτα ή λίγο περισσότερο από τρεις ώρες. Η ανακάλυψη παρέχει την πρώτη άμεση χρονική σύνδεση μεταξύ της δραστηριότητας των ακτίνων Χ και του ισχυρού ανέμου που ρέει από τον δίσκο προσαύξησης της μαύρης τρύπας.
Ανιχνεύοντας πότε συμβαίνουν αυτές οι εκροές, οι αστρονόμοι έχουν τώρα ένα πολύτιμο νέο εργαλείο για να μελετήσουν πώς οι μαύρες τρύπες επηρεάζουν την ανάπτυξη και την εξέλιξη των γαλαξιών και ίσως γιατί πολλοί από τους πιο τεράστιους γαλαξίες στο Σύμπαν λείπουν αστέρια.