12. maja na devetih sočasnih novinarskih konferencah po vsem svetu astrofiziki razkril prvo sliko črne luknje v srcu Rimske ceste. Sprva, čeprav je bila neverjetna, se je zdelo, da skrbno ustvarjena slika svetlobnega obroča okoli osrednje jame teme naše galaksije le dokazuje, kar so strokovnjaki že pričakovali: supermasivna črna luknja Mlečne ceste obstaja, se vrti in uboga Alberta Einsteina. splošna teorija relativnosti.
In vendar se ob natančnejšem pregledu stvari ne zložijo povsem v redu.
Raziskovalci so ocenili glede na svetlost vrečke svetlobe kako hitro snov pada na Strelec A* — ime, dano osrednji črni luknji Mlečne ceste. Odgovor je: sploh ne hitro. "Malo je zamašen," je rekel Priya Natarajan, kozmolog z univerze Yale, ki galaksijo primerja z zlomljeno prho. Nekako le tisočinka zadeve, ki je ki se izliva v Rimsko cesto iz okoliškega medgalaktičnega medija pride vse navzdol in v luknjo. "To razkriva velik problem," je dejal Natarajan. »Kam gre ta plin? Kaj se dogaja s tokom? Zelo jasno je, da je naše razumevanje rasti črne luknje sumljivo."
V zadnjih četrt stoletja so astrofiziki spoznali, kakšen tesno povezan, dinamičen odnos obstaja med številnimi galaksijami in črnimi luknjami v njihovih središčih. »Na tem področju je bil res velik prehod,« pravi Ramesh Narayan, teoretični astrofizik na univerzi Harvard. "Presenečenje je bilo, da so črne luknje pomembne kot oblikovalci in nadzorniki razvoja galaksij."
Te velikanske luknje - koncentracije snovi, ki so tako goste, da gravitacija prepreči celo svetlobi, da bi ušla - so kot motorji galaksij, vendar raziskovalci šele začenjajo razumeti, kako delujejo. Gravitacija vleče prah in plin navznoter do galaktičnega središča, kjer tvori vrtinčast akrecijski disk okoli supermasivne črne luknje, ki se segreje in spremeni v belo vročo plazmo. Potem, ko črna luknja zajame to snov (bodisi v driskah ali v nenadnih izbruhih), se energija vrne nazaj v galaksijo v povratnem procesu. "Ko gojite črno luknjo, proizvajate energijo in jo odlagate v okolico bolj učinkovito kot s katerim koli drugim procesom, ki ga poznamo v naravi," je dejal. Eliot Quataert, teoretični astrofizik na univerzi Princeton. Ta povratna informacija vpliva na hitrost nastajanja zvezd in vzorce pretoka plina po vsej galaksiji.
Toda raziskovalci imajo le nejasne predstave o "aktivnih" epizodah supermasivnih črnih lukenj, ki jih spremenijo v tako imenovana aktivna galaktična jedra (AGN). »Kaj je sprožilni mehanizem? Kaj je stikalo za izklop? To so temeljna vprašanja, do katerih še vedno poskušamo priti,« je dejal Kirsten Hall iz Centra za astrofiziko Harvard-Smithsonian.
Znano je, da imajo zvezdne povratne informacije, ki se pojavijo, ko zvezda eksplodira kot supernova, podobne učinke kot povratne informacije AGN v manjšem obsegu. Ti zvezdni motorji so enostavno dovolj veliki, da regulirajo majhne "pritlikave" galaksije, medtem ko lahko samo velikanski motorji supermasivnih črnih lukenj prevladujejo v evoluciji največjih "eliptičnih" galaksij.
Kar zadeva velikost, Rimska cesta, tipična spiralna galaksija, leži na sredini. Z nekaj očitnimi znaki aktivnosti v središču naše galaksije se je dolgo mislilo, da v njej prevladujejo zvezdne povratne informacije. Toda več nedavnih opazovanj kaže, da ga oblikujejo tudi povratne informacije AGN. S preučevanjem podrobnosti o medsebojnem delovanju teh povratnih mehanizmov v naši domači galaksiji – in spopadanjem z ugankami, kot je trenutna temnost Strelca A* – astrofiziki upajo, da bodo ugotovili, kako se galaksije in črne luknje na splošno razvijajo skupaj. Mlečna cesta "postaja najmočnejši astrofizikalni laboratorij," je dejal Natarajan. Ker služi kot mikrokozmos, »lahko drži ključ«.
Galaktični motorji
Do poznih devetdesetih let so astronomi na splošno sprejeli prisotnost črnih lukenj v središčih galaksij. Do takrat so lahko videli dovolj blizu teh nevidnih predmetov, da so iz gibanja zvezd okoli njih sklepali o njihovi masi. A pojavila se je čudna korelacija: Bolj ko je galaksija masivna, težja je njena osrednja črna luknja. »To je bilo še posebej tesno in bilo je popolnoma revolucionarno. Črna luknja se nekako pogovarja z galaksijo,« je rekel Tiziana Di Matteo, astrofizik na univerzi Carnegie Mellon.
Korelacija je presenetljiva, če upoštevamo, da je črna luknja – velika kot je – le majhen delček velikosti galaksije. (Strelec A* tehta na primer približno 4 milijone sonc, medtem ko Mlečna cesta meri približno 1.5 bilijona sončnih mas.) Zaradi tega gravitacija črne luknje z neko močjo vleče le najbolj notranje območje galaksije.
Martinu Reesu, kraljevemu astronomu Združenega kraljestva, je povratna informacija AGN ponudila naraven način za povezavo razmeroma majhne črne luknje z galaksijo na splošno. Dve desetletji prej, v sedemdesetih, je Rees pravilno domneval, da supermasivne črne luknje napajajo svetlobne curke opazili v nekaterih oddaljenih, svetlo žarečih galaksijah, imenovanih kvazarji. On celo predlagano, skupaj z Donaldom Lynden-Bellom, da bi črna luknja pojasnila, zakaj žari središče Rimske ceste. Ali so to lahko znaki splošnega pojava, ki določa velikost supermasivnih črnih lukenj povsod?
Zamisel je bila, da več snovi kot črna luknja pogoltne, svetlejša postane, povečana energija in zagon pa odpihne plin navzven. Sčasoma zunanji tlak prepreči padanje plina v črno luknjo. "To bo prekinilo rast. Na nek način je to bila utemeljitev,« je dejal Rees. Ali, z besedami Di Mattea, "črna luknja poje in nato pogoltne." Zelo velika galaksija daje večjo težo osrednji črni luknji, zaradi česar je težje izpihovati plin navzven, zato se črna luknja poveča, preden pogoltne.
Vendar je bilo le malo astrofizikov prepričanih, da se lahko energija padajoče snovi izloči na tako dramatičen način. "Ko sem delal svojo diplomsko nalogo, smo bili vsi obsedeni s črnimi luknjami kot točko brez vrnitve - samo plinom, ki prihaja noter," je dejal Natarajan, ki je kot Reesov podiplomski študent pomagal razviti prve povratne modele AGN. "Vsi so morali to narediti zelo previdno in previdno, saj je bilo tako radikalno."
Potrditev povratne ideje je prišla nekaj let pozneje z računalniškimi simulacijami, ki so jih razvili Di Matteo in astrofiziki. Volker Springel in Lars Hernquist. "Želeli smo reproducirati neverjeten živalski vrt galaksij, ki jih vidimo v resničnem vesolju," je dejal Di Matteo. Poznali so osnovno sliko: Galaksije so bile v zgodnjem vesolju majhne in goste. Previjte uro naprej in gravitacija bo te palčke zdrobila skupaj v plamenu spektakularnih združitev, ki tvorijo obroče, vrtince, cigare in vse oblike vmes. Galaksije rastejo v velikosti in raznolikosti, dokler po dovolj trkih ne postanejo velike in gladke. "Konča se kot madež," je dejal Di Matteo. V simulacijah so lahko ona in njeni sodelavci ponovno ustvarili te velike brezpredmetne madeže, imenovane eliptične galaksije, z večkratnim združevanjem spiralnih galaksij. Toda prišlo je do težave.
Medtem ko imajo spiralne galaksije, kot je Rimska cesta, veliko mladih zvezd, ki svetijo modro, velikanske eliptične galaksije vsebujejo le zelo stare zvezde, ki svetijo rdeče. "Rdeči so in mrtvi," je dejal Springel z Inštituta za astrofiziko Maxa Plancka v Garchingu v Nemčiji. Toda vsakič, ko je ekipa zagnala svojo simulacijo, je izpljunila eliptične kroglice, ki so svetile modro. Karkoli je izklopilo nastajanje zvezd, ni bilo zajeto v njihov računalniški model.
Nato je Springel dejal: »Imeli smo idejo, da povečamo naše združitve galaksij s supermasivnimi črnimi luknjami v središču. Pustili smo tem črnim luknjam, da pogoltnejo plin in sproščajo energijo, dokler ni vsa stvar razletela, kot lonec na pritisk. Nenadoma bi eliptična galaksija ustavila nastajanje zvezd in bi postala rdeča in mrtva.«
"Padla mi je čeljust," je dodal. "Nismo pričakovali, da bo [učinek] tako ekstremen."
Z reprodukcijo rdečih in mrtvih eliptikov, je simulacija podprla teorije Reesa in Natarajana o povratnih informacijah o črni luknji. Črna luknja se lahko kljub relativno majhni velikosti pogovarja z galaksijo kot celoto prek povratnih informacij. V zadnjih dveh desetletjih so bili računalniški modeli izpopolnjeni in razširjeni za simulacijo velikih delov vesolja in se na splošno ujemajo z eklektičnim živalskim vrtom v galaksiji, ki ga vidimo okoli nas. Te simulacije tudi kažejo, da energija, ki jo izbijejo črne luknje, napolni prostor med galaksijami z vročim plinom, ki bi se sicer moral že ohladiti in spremeniti v zvezde. "Ljudje so zdaj prepričani, da so supermasivne črne luknje zelo verjetni motorji," je dejal Springel. "Nihče ni prišel do uspešnega modela brez črnih lukenj."
Skrivnosti povratnih informacij
Kljub temu so računalniške simulacije še vedno presenetljivo odkrite.
Ko snov polzi navznoter do akrecijskega diska okoli črne luknje, trenje povzroči, da se energija potisne nazaj ven; količina izgubljene energije na ta način je nekaj, kar kodirniki ročno vnesejo v svoje simulacije s poskusi in napakami. To je znak, da so podrobnosti še vedno nedosegljive. "Obstaja možnost, da v nekaterih primerih dobimo pravi odgovor iz napačnega razloga," je dejal Quataert. "Mogoče ne zajamemo tistega, kar je pravzaprav najpomembnejše o tem, kako črne luknje rastejo in kako odlagajo energijo v svojo okolico."
Resnica je, da astrofiziki v resnici ne vedo, kako delujejo povratne informacije AGN. »Vemo, kako pomembno je. Vendar nam uide točno tisto, kar povzroča te povratne informacije,« je dejal Di Matteo. "Ključna, ključna težava je, da povratnih informacij ne razumemo globoko, fizično."
Vedo, da se nekaj energije oddaja kot sevanje, ki daje središčem aktivnih galaksij značilen svetel sij. Močna magnetna polja povzročijo, da snov odleti tudi iz akrecijskega diska, bodisi kot razpršeni galaktični vetrovi bodisi v močnih ozkih curkih. Mehanizem, s katerim naj bi črne luknje izstreljevale curke, imenovan Blandford-Znajekov proces, so identificirali v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, toda tisto, kar določa moč žarka in koliko njegove energije absorbira galaksija, je "še vedno odprt nerešen problem," je dejal Narayan. Galaktični veter, ki izhaja sferično iz akrecijskega diska in tako bolj neposredno vpliva na galaksijo kot ozki curki, je še bolj skrivnosten. "Vprašanje, vredno milijardo dolarjev, je: Kako poteka povezovanje energije s plinom?" je rekel Springel.
Eden od znakov, da še vedno obstaja težava, je, da črne luknje v najsodobnejših kozmoloških simulacijah končajo manj kot opazovane velikosti pravih supermasivnih črnih lukenj v nekaterih sistemih. Za izklop nastajanja zvezd in ustvarjanje rdečih in mrtvih galaksij potrebujejo simulacije črne luknje, da izvržejo toliko energije, da zadušijo notranji tok snovi, tako da črne luknje prenehajo rasti. »Povratne informacije v simulacijah so preveč agresivne; prezgodaj zavira rast,« je dejal Natarajan.
Rimska cesta ponazarja nasprotno težavo: simulacije običajno predvidevajo, da bi morala galaksija te velikosti imeti črno luknjo med tri do desetkrat večjo od Strelca A*.
Raziskovalci upajo, da bomo s podrobnejšim ogledom Mlečne ceste in bližnjih galaksij lahko začeli natančno razkrivati, kako delujejo povratne informacije AGN.
Ekosistem Rimske ceste
Decembra 2020 so raziskovalci z rentgenskim teleskopom eROSITA poročali, da so opazil par mehurčkov ki se razteza več deset tisoč svetlobnih let nad in pod Rimsko cesto. Ogromni mehurčki rentgenskih žarkov so spominjali na enako osupljive mehurčke žarkov gama, ki jih je pred 10 leti Fermijev vesoljski teleskop gama žarkov zaznal, da izhajajo iz galaksije.
O dveh teorijah izvora Fermijevih mehurčkov je še vedno potekala vroča razprava. Nekateri astrofiziki so domnevali, da gre za ostanek curka, ki je izstrelil iz Strelca A* pred milijoni let. Drugi so mislili, da so mehurčki akumulirana energija številnih zvezd, ki eksplodirajo v bližini galaktičnega središča – neke vrste zvezdna povratna informacija.
Kdaj Hsiang-Yi Karen Yang Nacionalne univerze Tsing Hua v Tajvanu videla sliko rentgenskih mehurčkov eROSITA, je »začela skakati gor in dol«. Yangu je bilo jasno, da bi rentgenski žarki lahko imeli skupen izvor z žarki gama, če bi oba generirala isti curek AGN. (Rentgenski žarki bi prihajali iz šokiranega plina v Rimski cesti in ne iz samega curka.) Skupaj s soavtorji Ellen Zweibel in Mateusz Ruszkowski, se je lotila izdelave računalniškega modela. Rezultati, objavljeno v Naravna astrofizika to preteklo pomlad ne le posnemajo oblike opazovanih mehurčkov in svetle udarne fronte, ampak napovedujejo, da so nastali v teku 2.6 milijona let (širijo se navzven iz curka, ki je bil aktiven 100,000 let) – veliko prehitro, da bi bilo pojasnjeno z zvezdnimi povratnimi informacijami.
Ugotovitev nakazuje, da so lahko povratne informacije AGN veliko bolj pomembne v običajnih diskastih galaksijah, kot je Rimska cesta, kot so raziskovalci mislili. Slika, ki se pojavlja, je podobna sliki ekosistema, je dejal Yang, kjer sta AGN in zvezdna povratna informacija prepletena z razpršenim, vročim plinom, ki obdaja galaksije in se imenuje cirkumgalaktični medij. V različnih vrstah galaksij in ob različnih časih bodo prevladovali različni učinki in vzorci toka.
Študija primera preteklosti in sedanjosti Rimske ceste bi lahko razkrila medsebojno delovanje teh procesov. Evropski vesoljski teleskop Gaia je na primer preslikal natančne položaje in gibanje milijonov zvezd Mlečne ceste, kar astrofizikom omogoča, da ponovno sledijo zgodovini njenih združitev z manjšimi galaksijami. Domnevajo, da takšni združitveni dogodki aktivirajo supermasivne črne luknje s stresanjem snovi vanje, kar povzroči, da nenadoma zasvetijo in celo sprožijo curke. "Na terenu poteka velika razprava o tem, ali so združitve pomembne ali ne," je dejal Quataert. Podatki o zvezdi Gaia predlaga da Mlečna cesta ni bila podvržena združitvi v času, ko sta nastala mehurčka Fermi in eROSITA, kar ni naklonjeno združitvam kot sprožilcem curka AGN.
Druga možnost je, da se lahko zgodi, da kapljice plina trčijo v črno luknjo in jo aktivirajo. Lahko kaotično preklaplja med prehranjevanjem, riganjem energije v obliki curkov in galaktičnih vetrov ter premorom.
Nedavna slika Strelca A* s teleskopa Event Horizon, ki razkriva trenutni curek padajoče snovi, predstavlja novo uganko, ki jo je treba rešiti. Astrofiziki so že vedeli, da ves plin, ki ga vleče galaksija, ne bo prišel do obzorja črne luknje, saj galaktični vetrovi potiskajo navzven proti temu akrecijskemu toku. Toda moč vetrov, ki je potrebna za razlago tako izjemno zoženega toka, je nerealna. "Ko izvajam simulacije, ne vidim močnega vetra," je dejal Narayan. "To ni veter, ki ga potrebujete za popolno razlago dogajanja."
Ugnezdene simulacije
Del izziva pri razumevanju delovanja galaksij je ogromna razlika med lestvicami dolžin pri zvezdah in črnih luknjah ter lestvicami celih galaksij in njihove okolice. Pri simulaciji fizičnega procesa na računalniku raziskovalci izberejo lestvico in vključijo ustrezne učinke na tej lestvici. Toda v galaksijah veliki in majhni učinki medsebojno delujejo.
"Črna luknja je resnično majhna v primerjavi z veliko galaksijo in ne morete jih dati vseh v eno samo ogromno simulacijo," je dejal Narayan. "Vsak režim potrebuje informacije od drugega, vendar ne ve, kako vzpostaviti povezavo."
Da bi poskušali premostiti to vrzel, Narayan, Natarajan in sodelavci začenjajo projekt, ki bo uporabil ugnezdene simulacije za izgradnjo skladnega modela, kako plin teče skozi Rimsko cesto in bližnjo aktivno galaksijo Messier 87. »Dovolite, da informacije pridejo iz galaksiji, da poveš črni luknji, kaj naj naredi, nato pa dovoliš, da se informacija iz črne luknje vrne nazaj in pove galaksiji, kaj naj naredi,« je dejal Narayan. "To je zanka, ki se vrti in kroži."
Simulacije bi morale pomagati razjasniti vzorec toka difuznega plina v in okoli galaksij. (Pomagala bodo tudi nadaljnja opazovanja cirkumgalaktičnega medija z vesoljskim teleskopom James Webb.) "To je kritičen del tega celotnega ekosistema," je dejal Quataert. "Kako spraviš plin v črno luknjo, da požene vso energijo, ki gre nazaj?"
Bistveno je, da morajo biti v novi shemi vsi vhodi in izhodi med simulacijami različnih lestvic dosledni, pri čemer mora biti manj vrtečih se številčnic. "Če je simulacija pravilno nastavljena, se bo sama dosledno odločila, koliko plina naj doseže črno luknjo," je dejal Narayan. »Lahko ga pogledamo in se vprašamo: Zakaj ni pojedel vsega plina? Zakaj je bilo tako mučno in je porabil tako malo razpoložljivega goriva?« Skupina upa, da bo ustvarila serijo posnetkov galaksij v različnih fazah njihovega razvoja.
Za zdaj je veliko o teh galaktičnih ekosistemih še slutnja. "To je resnično nova doba, ko ljudje začenjajo razmišljati o teh prekrivajočih se scenarijih," je dejal Yang. "Nimam jasnega odgovora, a upam, da ga bom čez nekaj let."
Opomba urednika: Priya Natarajan trenutno dela v znanstvenem svetovalnem odboru Quante.
