Wizja artystyczna czarnej dziury w galaktyce NGC 3147 (Źródło: hubblesite.org)

Astronomowie zawsze są podekscytowani gdy znajdują coś, czego się nie spodziewali. Tym razem prowadząc obserwacje za pomocą kosmicznego teleskopu Hubble’a znaleźli dysk gazowy wirujący zaskakująco blisko czarnej dziury w sercu spiralnej galaktyki NG 3147.

To odkrycie jest wielką zagadką, ponieważ według obecnej wiedzy, dysku w ogóle nie powinno tam być. Jednakże jego obecność tak blisko czarnej dziury daje nam doskonałą sposobność do  przetestowania teorii względności Einsteina. “Nigdy wcześniej nie widzieliśmy efektów zarówno ogólnej jak i szczególnej teorii grawitacji w zakresie widzialnym z taką dokładnością” – powiedział Marco Ciaberge z ESA. „Dysk znajduje się tak blisko czarnej dziury, że prędkość i siła przyciągania grawitacyjnego wpływają na wygląd fotonów światła. Nie zrozumiemy otrzymanych danych jeśli nie uwzględnimy teorii względności” – dodaje Stefano Bianchi z Uniwersytetu Roma Tre.

Naleśnik czy pączek z dziurką?

W niektórych typach galaktyk, takich jak wybrana do obserwacji NGC 3147, istnieją tzw. czarne dziury głodujące. W pobliżu tego typu dziur nie ma wystarczającej ilości materii, którą mogłyby się karmić, więc teoretycznie cienka warstwa opadających kłębów materii zamiast tworzyć dysk akrecyjny w kształcie naleśnika, otacza czarną dziurę niczym donut, pączek z dziurką. Naukowcy teraz zachodzą w głowę, dlaczego w pobliżu głodującej czarnej dziury utworzył się dysk naśladujący znacznie potężniejsze dyski, występujące w pobliżu wysoce aktywnych galaktyk z wielkimi i przede wszystkim „żarłocznymi” czarnymi dziurami.

Galaktyka NGC 3147 (Źródło: hubblesite.org)

“Myśleliśmy, że to najlepszy kandydat do potwierdzenia, że poniżej pewnej jasności, dysk akrecyjny już nie powstaje – wyjaśnia Ari Laor z Izraelskiego Instytutu Technicznego Technion – Ale zobaczyliśmy coś nieoczekiwanego. Odkryliśmy gaz w ruchu posiadający właściwości, które można określić tylko jako wytworzone przez materię wirującą w cienkim dysku, bardzo blisko czarnej dziury”.

Modele aktywnych galaktyk do rewizji

Naukowcy wybrali tą galaktykę, aby potwierdzić wcześniej zaakceptowane modele aktywnych galaktyk słabej jasności – czyli tych których czarne dziury są na diecie ubogiej w materię. Modele te zakładają powstawanie dysku akrecyjnego w sytuacji, gdy ogromne ilości gazu są uwięzione i ściągane przez silne przyciąganie grawitacyjne czarnej dziury. Wówczas opadająca na nią materia emituje dużo światła, tworząc jasny obiekt zwany kwazarem występujący w towarzystwie dobrze odżywionych czarnych dziur. Gdy zaś czarna dziura przyciąga mniej materii, powstały dysk zaczyna się załamywać, zanika i zmienia strukturę.

“Nie spodziewaliśmy się, że w ogóle istnieje taki typ dysku jak obserwowany tu przeskalowany kwazar – tłumaczy Bianchi – To taki sam obiekt jaki widzimy w obiektach 1000 lub nawet 100000 jaśniejszych. Przewidywania obecnych modeli dynamiki gazów w bardzo słabo aktywnych galaktykach zdecydowanie zawiodły”.

Dysk jest tak głęboko osadzony w intensywnym polu grawitacyjnym czarnej dziury, że jego światło podlega modyfikacji zgodnie z teoriami względności Einsteina. Astronomowie otrzymali tym samym unikalną możliwość obserwacji procesów zachodzących w pobliżu czarnej dziury.

Nieoceniona rola kosmicznego teleskopu Hubble’a

Teleskop Hubble’a odnotował, że materia krążąca wokół czarnej dziury wiruje z prędkością większą niż 10% prędkość światła. Przy takich prędkościach gaz zdaje się jaśnieć podczas ruchu w kierunku Ziemi, lecz gdy się oddala traci jasność. Masa tej czarnej dziury została określona na 250 milionów mas Słońca.  Odnotowano również, że gaz znajduje się tak głęboko w studni grawitacyjnej, że światło dosłownie walczy o to, żeby się wydostać, rozciągając się do długości fal czerwonych.

Teleskop Hubble’a (Źródło: NASA)

Do przeprowadzenia obserwacji materii wirującej głęboko w dysku naukowcy wykorzystali Spektrometr Obrazujący Teleskopu Kosmicznego. „Bez Hubble’a nie bylibyśmy w stanie tego zobaczyć, ponieważ region jest słabo rozjaśniony – stwierdza Chiaberge – Jasność gwiazd w galaktyce zasłania wszystko co znajduje się w jej jądrze. Jeśli takie obserwacje prowadzone byłyby z Ziemi, dominujące światło pochodzące z gwiazd, zakłócałoby słabą emisję z jądra.”

Naukowcy mają nadzieję, że w przyszłości Hubble posłuży również do poszukiwania podobnych dysków w pobliżu czarnych dziur w innych galaktykach.