12 maja na dziewięciu symultanicznych konferencjach prasowych na całym świecie astrofizycy ujawnił pierwszy obraz czarnej dziury w sercu Drogi Mlecznej. Początkowo, choć było to niesamowite, skrupulatnie wykonany obraz pierścienia światła wokół centralnego dołu ciemności naszej galaktyki wydawał się jedynie potwierdzać to, czego już oczekiwali eksperci: supermasywna czarna dziura Drogi Mlecznej istnieje, kręci się i jest posłuszna Albertowi Einsteinowi. ogólna teoria względności.
A jednak, po bliższym przyjrzeniu się, sprawy nie układają się do końca.
Na podstawie jasności bajgla światła naukowcy oszacowali jak szybko materia spada na Sagittarius A* — nazwę nadaną centralnej czarnej dziurze Drogi Mlecznej. Odpowiedź brzmi: wcale nie szybko. „Jest zatkany do niewielkiej strużki”, powiedział Priya Natarajan, kosmolog z Yale University, porównujący galaktykę do zepsutego prysznica. Jakoś tylko jedna tysięczna materii, która jest wpływające do Drogi Mlecznej z otaczającego ośrodka międzygalaktycznego dociera do samego dołu i do dziury. „To ujawnia ogromny problem” – powiedział Natarajan. „Dokąd zmierza ten gaz? Co się dzieje z przepływem? To bardzo jasne, że nasze rozumienie wzrostu czarnej dziury jest podejrzane”.
W ciągu ostatniego ćwierćwiecza astrofizycy zrozumieli, jak ściśle powiązana, dynamiczna relacja istnieje między wieloma galaktykami a czarnymi dziurami w ich centrach. „W tej dziedzinie nastąpiła naprawdę ogromna zmiana”, mówi Ramesz Narajan, astrofizyk teoretyczny na Uniwersytecie Harvarda. „Niespodzianką było to, że czarne dziury są ważne jako kształtowniki i kontrolery ewolucji galaktyk”.
Te gigantyczne dziury – skupiska materii tak gęste, że grawitacja uniemożliwia ucieczkę nawet światła – są jak silniki galaktyk, ale naukowcy dopiero zaczynają rozumieć, jak działają. Grawitacja przyciąga pył i gaz do centrum galaktyki, gdzie tworzy wirujący dysk akrecyjny wokół supermasywnej czarnej dziury, ogrzewając się i zamieniając w rozgrzaną do białości plazmę. Następnie, gdy czarna dziura pochłonie tę materię (albo w kroplach i szarościach, albo w nagłych wybuchach), energia jest wyrzucana z powrotem do galaktyki w procesie sprzężenia zwrotnego. „Kiedy hodujesz czarną dziurę, produkujesz energię i odprowadzasz ją do otoczenia wydajniej niż w jakimkolwiek innym procesie, który znamy w naturze” – powiedział Eliota Quataerta, astrofizyk teoretyczny na Uniwersytecie Princeton. To sprzężenie zwrotne wpływa na tempo powstawania gwiazd i wzorce przepływu gazu w całej galaktyce.
Ale naukowcy mają jedynie mgliste wyobrażenia na temat „aktywnych” epizodów supermasywnych czarnych dziur, które zamieniają je w tak zwane aktywne jądra galaktyczne (AGN). „Jaki jest mechanizm wyzwalający? Co to jest wyłącznik? To są podstawowe pytania, do których wciąż staramy się dotrzeć ”- powiedział Kirsten Hall Centrum Astrofizyki Harvard-Smithsonian.
Wiadomo, że sprzężenie zwrotne gwiazd, które występuje, gdy gwiazda eksploduje jako supernowa, ma podobne skutki jak sprzężenie zwrotne AGN na mniejszą skalę. Te silniki gwiezdne są wystarczająco duże, aby regulować małe galaktyki „karłowate”, podczas gdy tylko gigantyczne silniki supermasywnych czarnych dziur mogą zdominować ewolucję największych galaktyk „eliptycznych”.
Pod względem wielkości Droga Mleczna, typowa galaktyka spiralna, znajduje się pośrodku. Od dawna uważano, że nasza galaktyka, z kilkoma widocznymi oznakami aktywności w swoim centrum, jest zdominowana przez gwiezdne sprzężenie zwrotne. Jednak kilka ostatnich obserwacji sugeruje, że kształtuje to również sprzężenie zwrotne AGN. Badając szczegóły wzajemnych zależności między tymi mechanizmami sprzężenia zwrotnego w naszej macierzystej galaktyce – i zmagając się z zagadkami, takimi jak obecny mrok Sagittarius A* – astrofizycy mają nadzieję dowiedzieć się, jak ogólnie ewoluują galaktyki i czarne dziury. Droga Mleczna „staje się najpotężniejszym laboratorium astrofizycznym” – powiedział Natarajan. Służąc jako mikrokosmos, „może trzymać klucz”.
Silniki galaktyczne
Pod koniec lat 1990. astronomowie ogólnie zaakceptowali obecność czarnych dziur w centrach galaktyk. Do tego czasu mogli widzieć wystarczająco blisko tych niewidzialnych obiektów, aby wywnioskować ich masę z ruchów gwiazd wokół nich. A pojawiła się dziwna korelacja: Im bardziej masywna jest galaktyka, tym cięższa jest jej centralna czarna dziura. „To było szczególnie ciasne i całkowicie rewolucyjne. W jakiś sposób czarna dziura rozmawia z galaktyką” – powiedział Tycjana Di Matteo, astrofizyk z Carnegie Mellon University.
Korelacja jest zaskakująca, jeśli weźmie się pod uwagę, że czarna dziura – jakkolwiek duża – stanowi niewielki ułamek rozmiaru galaktyki. (Na przykład Strzelec A* waży około 4 milionów słońc, podczas gdy Droga Mleczna mierzy około 1.5 biliona mas Słońca.) Z tego powodu grawitacja czarnej dziury przyciąga z jakąkolwiek siłą tylko najbardziej wewnętrzny obszar galaktyki.
Dla Martina Reesa, brytyjskiego astronoma królewskiego, informacje zwrotne z AGN zaoferowały naturalny sposób na połączenie stosunkowo małej czarnej dziury z galaktyką jako całość. Dwie dekady wcześniej, w latach 1970., Rees słusznie postawił hipotezę, że supermasywne czarne dziury zasil świetliste strumienie obserwowane w niektórych odległych, jasno świecących galaktykach zwanych kwazarami. On nawet zaproponowane, wraz z Donaldem Lynden-Bellem, że czarna dziura wyjaśniałaby, dlaczego centrum Drogi Mlecznej świeci. Czy mogą to być oznaki ogólnego zjawiska, które rządzi rozmiarami supermasywnych czarnych dziur na całym świecie?
Pomysł polegał na tym, że im więcej materii połyka czarna dziura, tym jaśniejsza, a zwiększona energia i pęd wydmuchują gaz na zewnątrz. Ostatecznie ciśnienie zewnętrzne zatrzymuje gaz przed wpadaniem do czarnej dziury. „To zakończy wzrost. W sposób falujący, to było rozumowanie” – powiedział Rees. Lub, słowami Di Matteo, „czarna dziura je, a potem połyka”. Bardzo duża galaktyka kładzie większy nacisk na centralną czarną dziurę, co utrudnia wydmuchiwanie gazu na zewnątrz, przez co czarna dziura powiększa się, zanim zostanie połknięta.
Jednak niewielu astrofizyków było przekonanych, że energia opadającej materii może zostać wyrzucona w tak dramatyczny sposób. „Kiedy pisałem pracę magisterską, wszyscy mieliśmy obsesję na punkcie czarnych dziur jako punktu bez powrotu – tylko wchodzący gaz” – powiedział Natarajan, który jako doktorant Reesa pomógł opracować pierwsze modele sprzężenia zwrotnego AGN. „Wszyscy musieli to robić bardzo ostrożnie i ostrożnie, ponieważ było to tak radykalne”.
Potwierdzenie idei sprzężenia zwrotnego przyszło kilka lat później, z symulacji komputerowych opracowanych przez Di Matteo i astrofizyków Volkera Springela i Larsa Hernquista. „Chcieliśmy odtworzyć niesamowite zoo galaktyk, które widzimy w prawdziwym wszechświecie” – powiedział Di Matteo. Znali podstawowy obraz: galaktyki zaczynają się małe i gęste we wczesnym wszechświecie. Przekręć zegar do przodu, a grawitacja rozbije te krasnoludy razem w blasku spektakularnych połączeń, tworząc pierścienie, wiry, cygara i każdy kształt pomiędzy. Galaktyki rosną pod względem wielkości i różnorodności, aż po wystarczającej liczbie zderzeń stają się duże i gładkie. „To kończy się w postaci kropelki” – powiedział Di Matteo. W symulacjach ona i jej koledzy mogli odtworzyć te duże, pozbawione cech charakterystycznych plamy, zwane galaktykami eliptycznymi, wielokrotnie łącząc galaktyki spiralne. Ale był problem.
Podczas gdy galaktyki spiralne, takie jak Droga Mleczna, mają wiele młodych gwiazd, które świecą na niebiesko, gigantyczne galaktyki eliptyczne zawierają tylko bardzo stare gwiazdy, które świecą na czerwono. „Są czerwone i martwe” – powiedział Springel z Instytutu Astrofizyki im. Maxa Plancka w Garching w Niemczech. Ale za każdym razem, gdy zespół przeprowadzał symulację, wypluwał eliptyczne świecące na niebiesko. Cokolwiek wyłączało formowanie się gwiazd, nie zostało uchwycone w ich modelu komputerowym.
Następnie, powiedział Springel, „wpadliśmy na pomysł, aby zwiększyć nasze łączenie się galaktyk z supermasywnymi czarnymi dziurami w centrum. Pozwalamy, aby te czarne dziury połykały gaz i uwalniały energię, aż wszystko się rozleciało, jak garnek szybkowaru. Nagle galaktyka eliptyczna zatrzymałaby formowanie się gwiazd i stałaby się czerwona i martwa”.
„Moja szczęka opadła” – dodał. „Nie spodziewaliśmy się, że [efekt] będzie tak ekstremalny”.
Odtwarzając czerwone i martwe maszyny eliptyczne, symulacja wzmocniła teorie sprzężenia zwrotnego czarnej dziury Reesa i Natarajana. Czarna dziura, pomimo swoich stosunkowo niewielkich rozmiarów, może komunikować się z całą galaktyką poprzez sprzężenie zwrotne. W ciągu ostatnich dwóch dekad modele komputerowe zostały udoskonalone i rozszerzone, aby symulować duże połacie kosmosu, i ogólnie odpowiadają eklektycznemu galaktycznemu zoo, które widzimy wokół nas. Symulacje te pokazują również, że energia wyrzucana z czarnych dziur wypełnia przestrzeń między galaktykami gorącym gazem, który w innym przypadku powinien już ostygnąć i zamienić się w gwiazdy. „Ludzie są już przekonani, że supermasywne czarne dziury są bardzo prawdopodobnymi silnikami” – powiedział Springel. „Nikt nie wymyślił udanego modelu bez czarnych dziur”.
Tajemnice opinii
Jednak symulacje komputerowe wciąż są zaskakująco dosadne.
Gdy materia wkrada się do wnętrza dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury, tarcie powoduje wypychanie energii z powrotem; ilość utraconej w ten sposób energii jest czymś, co programiści wprowadzają do swoich symulacji ręcznie metodą prób i błędów. To znak, że szczegóły są wciąż nieuchwytne. „Istnieje możliwość, że w niektórych przypadkach otrzymujemy właściwą odpowiedź z niewłaściwego powodu”, powiedział Quataert. „Może nie wychwytujemy tego, co w rzeczywistości jest najważniejsze w tym, jak rosną czarne dziury i jak zrzucają energię do swojego otoczenia”.
Prawda jest taka, że astrofizycy tak naprawdę nie wiedzą, jak działa sprzężenie zwrotne AGN. „Wiemy, jakie to ważne. Ale to właśnie nam wymyka się, co powoduje tę informację zwrotną” – powiedział Di Matteo. „Kluczowy, kluczowy problem polega na tym, że nie rozumiemy dogłębnie informacji zwrotnych, fizycznie”.
Wiedzą, że część energii jest emitowana w postaci promieniowania, które nadaje centrom aktywnych galaktyk ich charakterystyczną jasną poświatę. Silne pola magnetyczne powodują, że materia również wylatuje z dysku akrecyjnego w postaci rozproszonych wiatrów galaktycznych lub silnych wąskich dżetów. Uważa się, że mechanizm, za pomocą którego czarne dziury wystrzeliwują dżety, zwany Proces Blandford-Znajek, został zidentyfikowany w latach 1970. XX wieku, ale to, co określa moc wiązki i ile jej energii jest pochłaniane przez galaktykę, jest „wciąż otwartym nierozwiązanym problemem” – powiedział Narayan. Galaktyczny wiatr, który emanuje sferycznie z dysku akrecyjnego, a zatem ma tendencję do bardziej bezpośredniego oddziaływania z galaktyką niż wąskie dżety, jest jeszcze bardziej tajemniczy. „Pytanie za miliard dolarów brzmi: jak łączy się energia z gazem?” powiedział Springel.
Jednym ze znaków, że nadal istnieje problem, jest to, że czarne dziury w najnowocześniejszych symulacjach kosmologicznych kończą mniejszy niż obserwowane rozmiary rzeczywistych supermasywnych czarnych dziur w niektórych układach. Aby wyłączyć formowanie się gwiazd i stworzyć czerwone i martwe galaktyki, symulacje potrzebują czarnych dziur do wyrzucania tak dużej ilości energii, że tłumią wewnętrzny strumień materii, aby czarne dziury przestały rosnąć. „Informacje zwrotne w symulacjach są zbyt agresywne; przedwcześnie hamuje wzrost” – powiedział Natarajan.
Droga Mleczna jest przykładem odwrotnego problemu: symulacje zazwyczaj przewidują, że galaktyka tej wielkości powinna mieć czarną dziurę od 10 do XNUMX razy większą niż Sagittarius A*.
Przyglądając się bliżej Drodze Mlecznej i pobliskim galaktykom, naukowcy mają nadzieję, że będziemy mogli zacząć dokładnie wyjaśniać, jak działa sprzężenie zwrotne AGN.
Ekosystem Drogi Mlecznej
W grudniu 2020 r. naukowcy z teleskopem rentgenowskim eROSITA poinformowali, że mieli zauważyłem parę bąbelków rozciągający się na dziesiątki tysięcy lat świetlnych nad i pod Drogą Mleczną. Ogromne bąble promieniowania rentgenowskiego przypominały równie zaskakujące bąble promieniowania gamma, które 10 lat wcześniej wykrył Kosmiczny Teleskop Fermi Gamma-ray, wychodzące z galaktyki.
Dwie teorie pochodzenia baniek Fermiego wciąż były przedmiotem gorących dyskusji. Niektórzy astrofizycy sugerowali, że były to relikt odrzutowca, który wystrzelił z Sagittarius A* miliony lat temu. Inni uważali, że bąbelki to skumulowana energia wielu gwiazd eksplodujących w pobliżu centrum galaktyki – rodzaj gwiezdnego sprzężenia zwrotnego.
Kiedy Hsiang-Yi Karen Yang z National Tsing Hua University na Tajwanie zobaczyła obraz bąbelków rentgenowskich eROSITA, „zaczęła skakać w górę iw dół”. Dla Yanga było jasne, że promienie X mogą mieć wspólne pochodzenie z promieniami gamma, jeśli oba są generowane przez ten sam dżet AGN. (Promienie rentgenowskie pochodziłyby raczej ze wstrząsanego gazu w Drodze Mlecznej niż z samego dżetu). Wraz ze współautorami Ellen Zweibel i Mateusza Ruszkowskiego, przystąpiła do budowy modelu komputerowego. Wyniki, opublikowane w Astrofizyka Przyrody minionej wiosny nie tylko odtworzyły kształt obserwowanych bąbelków i jasny front wstrząsu, ale przewidziały, że uformowały się one w ciągu 2.6 miliona lat (rozprzestrzeniając się na zewnątrz z dżetu, który był aktywny przez 100,000 XNUMX lat) — zbyt szybko, aby można je było wyjaśnione przez gwiezdne informacje zwrotne.
Odkrycie sugeruje, że sprzężenie zwrotne AGN może być znacznie ważniejsze w zwykłych galaktykach dyskowych, takich jak Droga Mleczna, niż sądzili naukowcy. Obraz, który się wyłania, jest podobny do ekosystemu, powiedział Yang, gdzie AGN i gwiezdne sprzężenie zwrotne przeplatają się z rozproszonym, gorącym gazem otaczającym galaktyki, zwanym ośrodkiem okołogalaktycznym. Różne efekty i schematy przepływu będą dominować w różnych typach galaktyk i w różnym czasie.
Studium przypadku przeszłości i teraźniejszości Drogi Mlecznej może ujawnić wzajemne oddziaływanie tych procesów. Na przykład europejski teleskop kosmiczny Gaia zmapował dokładne pozycje i ruchy milionów gwiazd Drogi Mlecznej, umożliwiając astrofizykom prześledzenie historii jej łączenia się z mniejszymi galaktykami. Postawiono hipotezę, że takie przypadki łączenia się aktywują supermasywne czarne dziury poprzez wstrząsanie nimi materią, powodując ich nagłe rozjaśnienie, a nawet wystrzelenie dżetów. „W tej dziedzinie trwa debata na temat tego, czy fuzje są ważne”, powiedział Quataert. Dane gwiazdy Gaia wskazuje że Droga Mleczna nie uległa fuzji w czasie, gdy uformowały się bańki Fermi i eROSITA, co nie sprzyjało fuzji jako wyzwalaczy strumienia AGN.
Alternatywnie, bąble gazu mogą po prostu zderzyć się z czarną dziurą i ją aktywować. Może chaotycznie przełączać się między jedzeniem, wyrzucaniem energii w postaci odrzutowców i galaktycznych wiatrów, a zatrzymywaniem się.
Niedawne zdjęcie Sagittarius A* wykonane przez Teleskop Event Horizon, które ujawnia strużkę opadającej materii, przedstawia nową zagadkę do rozwiązania. Astrofizycy wiedzieli już, że nie cały gaz, który jest wciągany do galaktyki, dotrze do horyzontu czarnej dziury, ponieważ galaktyczne wiatry wypychają na zewnątrz ten przepływ akrecji. Ale siła wiatrów potrzebna do wyjaśnienia tak ekstremalnie zwężającego się przepływu jest nierealistyczna. „Kiedy przeprowadzam symulacje, nie widzę wielkiego wiatru” – powiedział Narayan. „To nie jest rodzaj wiatru, którego potrzebujesz do pełnego wyjaśnienia tego, co się dzieje”.
Symulacje zagnieżdżone
Częścią wyzwania w zrozumieniu, jak działają galaktyki, jest ogromna różnica między skalami długości występującymi w gwiazdach i czarnych dziurach a skalami całych galaktyk i ich otoczenia. Symulując fizyczny proces na komputerze, naukowcy wybierają skalę i uwzględniają odpowiednie efekty w tej skali. Ale w galaktykach duże i małe efekty oddziałują na siebie.
„Czarna dziura jest naprawdę maleńka w porównaniu do dużej galaktyki i nie można ich wszystkich umieścić w jednej ogromnej symulacji” – powiedział Narayan. „Każdy reżim potrzebuje informacji od drugiego faceta, ale nie wie, jak nawiązać połączenie”.
Aby spróbować wypełnić tę lukę, Narayan, Natarajan i współpracownicy uruchamiają projekt, który wykorzysta zagnieżdżone symulacje do zbudowania spójnego modelu przepływu gazu przez Drogę Mleczną i pobliską aktywną galaktykę Messier 87. galaktyka, aby powiedzieć czarnej dziurze, co ma robić, a następnie pozwolisz, aby informacje z czarnej dziury wróciły i powiedziały galaktyce, co ma robić” – powiedział Narayan. „To pętla, która kręci się w kółko i w kółko.”
Symulacje powinny pomóc w wyjaśnieniu wzoru przepływu rozproszonego gazu w galaktykach i wokół nich. (Pomogą również dalsze obserwacje ośrodka okołogalaktycznego przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba.) „To kluczowa część całego ekosystemu” – powiedział Quataert. „Jak sprowadzić gaz do czarnej dziury, aby wyprowadzić całą energię, która wraca z powrotem?”
Co najważniejsze, w nowym schemacie wszystkie dane wejściowe i wyjściowe między symulacjami różnych skal muszą być spójne, pozostawiając mniej pokręteł do kręcenia. „Jeśli symulacja zostanie skonfigurowana prawidłowo, będzie ona sama w sposób spójny zdecydować, ile gazu powinno dotrzeć do czarnej dziury” – powiedział Narayan. „Możemy się temu przyjrzeć i zapytać: dlaczego nie zjadł całego gazu? Dlaczego to było takie wybredne i zabierało tak mało dostępnego gazu?” Grupa ma nadzieję stworzyć serię migawek galaktyk w różnych fazach ich ewolucji.
Na razie wiele z tych galaktycznych ekosystemów to wciąż przeczucie. „To naprawdę nowa era, w której ludzie zaczynają myśleć o tych nakładających się scenariuszach”, powiedział Yang. „Nie mam jasnej odpowiedzi, ale mam nadzieję, że za kilka lat.”
Od redakcji: Priya Natarajan obecnie zasiada w naukowej radzie doradczej Quanty.
