Czarne dziury o różnych sygnaturach świetlnych, które uważano za te same obiekty oglądane pod różnymi kątami, są w rzeczywistości na różnych etapach cyklu życia, wynika z badań prowadzonych przez naukowców z Dartmouth.
Badania nad czarnymi dziurami znanymi jako „aktywne jądra galaktyk” (ang. active galactic nuclei, AGN) wskazują na konieczność zrewidowania powszechnie stosowanego „zunifikowanego modelu AGN”, który charakteryzuje supermasywne czarne dziury jako obiekty o takich samych właściwościach.
Badanie, opublikowane w The Astrophysical Journal, dostarcza odpowiedzi na nurtującą zagadkę kosmosu i powinno pozwolić naukowcom na stworzenie bardziej precyzyjnych modeli dotyczących ewolucji wszechświata i tego, jak rozwijają się czarne dziury.
„Obiekty te mistyfikowały badaczy przez ponad pół wieku”, powiedział Tonima Tasnim Ananna, asystent badań postdoktoranckich w Dartmouth i główny autor pracy. „Z czasem przyjęliśmy wiele założeń dotyczących fizyki tych obiektów. Teraz wiemy, że własności przesłoniętych czarnych dziur różnią się znacząco od własności AGN-ów, które nie są tak mocno ukryte.”
Uważa się, że supermasywne czarne dziury rezydują w centrum prawie wszystkich dużych galaktyk, w tym Drogi Mlecznej. Obiekty te pożerają galaktyczny gaz, pył i gwiazdy, i mogą stać się cięższe od małych galaktyk.
Od dziesięcioleci badacze interesują się sygnaturami świetlnymi aktywnych jąder galaktyk, czyli rodzajem supermasywnej czarnej dziury, która ulega akrecji, czyli jest w fazie szybkiego wzrostu.
Począwszy od późnych lat 80-tych, astronomowie zdali sobie sprawę, że sygnatury świetlne pochodzące z przestrzeni kosmicznej w zakresie od fal radiowych do promieniowania X mogą być przypisane AGN-om. Założono, że obiekty te zazwyczaj posiadają pierścień w kształcie pączka – lub „torusa” – gazu i pyłu wokół siebie. Uważano, że różne jasności i kolory związane z obiektami są wynikiem kąta, pod jakim były one obserwowane oraz tego, jak duża część torusa zasłaniała widok.
Na tej podstawie powstała jednolita teoria AGN-ów, która stała się powszechnym rozumieniem. Teoria ta mówi, że jeśli czarna dziura jest oglądana przez swój torus, powinna wydawać się słaba. Jeśli natomiast jest oglądana z dołu lub z góry pierścienia, powinna być jasna. Jednak według obecnego badania, poprzednie badania zbyt mocno opierały się na danych z mniej przesłoniętych obiektów i wypaczyły wyniki badań.
Nowe badania skupiają się na tym, jak szybko czarne dziury żywią się materią kosmiczną, czyli na ich szybkości akrecji. Badania wykazały, że tempo akrecji nie zależy od masy czarnej dziury, różni się znacząco w zależności od tego, jak bardzo jest ona przesłonięta przez pierścień gazu i pyłu.
„To dostarcza wsparcia dla idei, że struktury torusów wokół czarnych dziur nie są wszystkie takie same” – powiedział Ryan Hickox, profesor fizyki i astronomii oraz współautor badania. „Istnieje związek między strukturą a tym, jak rośnie”.
Wynik pokazuje, że ilość pyłu i gazu otaczającego AGN jest bezpośrednio związana z tym, jak bardzo się ona karmi, potwierdzając, że istnieją różnice poza orientacją pomiędzy różnymi populacjami AGN. Kiedy czarna dziura akreuje w dużym tempie, energia zdmuchuje pył i gaz. W rezultacie jest bardziej prawdopodobne, że nie będzie ona niczym przesłonięta i wyda się jaśniejsza. I odwrotnie, mniej aktywny AGN jest otoczony gęstszym torusem i wydaje się słabszy.
„W przeszłości nie było pewne, jak populacja przesłoniętych AGN różni się od ich łatwiejszych do zaobserwowania, niezasłoniętych odpowiedników” – powiedziała Ananna. „Te nowe badania definitywnie pokazują fundamentalną różnicę między tymi dwoma populacjami, która wykracza poza kąt widzenia”.
Badanie wynika z trwającej dekadę analizy pobliskich AGN-ów wykrytych przez Swift-BAT, wysokoenergetyczny teleskop rentgenowski NASA. Teleskop pozwala naukowcom na skanowanie lokalnego wszechświata w celu wykrycia przesłoniętych i nie przesłoniętych AGN-ów.
Badania są wynikiem międzynarodowej współpracy naukowej — BAT AGN Spectroscopic Survey (BASS) — która od ponad dekady pracuje nad zebraniem i analizą spektroskopii optycznej/podczerwonej dla AGN obserwowanych przez Swift BAT.
„Nigdy wcześniej nie mieliśmy tak dużej próbki wykrytych w promieniowaniu X przesłoniętych lokalnych AGN” – powiedziała Ananna. „To wielkie zwycięstwo dla teleskopów rentgenowskich wysokich energii”.
Praca opiera się na wcześniejszych badaniach zespołu badawczego analizującego AGN-y. Na potrzeby badania Ananna opracowała technikę obliczeniową do oceny wpływu materii przesłaniającej na obserwowane własności czarnych dziur i przeanalizowała dane zebrane przez szerszy zespół badawczy przy użyciu tej techniki.
Zgodnie z artykułem, znając masę czarnej dziury i to, jak szybko się żywi, badacze mogą określić, kiedy większość supermasywnych czarnych dziur przeszła większość swojego wzrostu, dostarczając w ten sposób cennych informacji o ewolucji czarnych dziur i wszechświata.
„Jednym z największych pytań w naszej dziedzinie jest to, skąd się biorą supermasywne czarne dziury” – powiedział Hickox. „Te badania dostarczają krytycznego elementu, który może pomóc nam odpowiedzieć na to pytanie i spodziewam się, że staną się punktem odniesienia dla tej dyscypliny badawczej”.
Przyszłe badania mogą obejmować skupienie się na długościach fal, które pozwolą zespołowi na poszukiwania poza lokalnym wszechświatem. W najbliższym czasie zespół chciałby zrozumieć, co powoduje przejście AGN w tryb wysokiej akrecji oraz jak długo trwa przejście szybko akreujących AGN z trybu silnie przesłoniętego do nie przesłoniętego.
W badaniach uczestniczyli Benny Trakhtenbrot z Uniwersytetu w Tel Avivie, Claudia Megan Urry z Uniwersytetu Yale oraz Mike Koss z Eureka Scientific.
