Astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego wśród odkrywców nowego mechanizmu wzrostu supermasywnych czarnych dziur

Za pomocą polskiego teleskopu w Chile oraz sieci obserwatoriów z całego świata zaobserwowano gwałtowne zjawisko rozbłysku związanego czarną dziurą, świadczące o znacznym wzroście jej masy.

Prawdopodobnie wszystkie galaktyki skrywają w swym centrum supermasywną czarną dziurę, której masa może wynosić od kilku milionów nawet do kilku miliardów mas Słońca. Również w centrum naszej Galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura o masie około czterech milionów mas Słońca. I choć obiekty te są bardzo powszechne we Wszechświecie i odgrywają ważną rolę w ewolucji galaktyk, wciąż nie jest znany mechanizm osiągania przez nie tak ogromnych mas.

Dotychczas uważano, że supermasywne czarne dziury osiągają swoje zawrotne masy tylko w jednym z dwóch procesów: połykaniu gwiazd w zjawisku zwanym rozerwaniem pływowym lub przez ciągłe pochłanianie materiału z otaczającego je dysku, jak ma to miejsce w kwazarach i galaktykach radiowych, zwanych aktywnymi jądrami galaktyk (ang. Active Galactic Nuclei, AGN). W przypadku typowego AGN, jasność centralnej części galaktyki zmienia się o kilka-kilkunaście procent w ciągu wielu lat, gdy czarna dziura stopniowo pochłania materiał z dysku akrecyjnego. Przyspieszana gwałtownie w otoczeniu czarnej dziury materia emituje promieniowanie w zakresie widzialnym, ultrafioletowym oraz rentgenowskim. W znacznie bardziej gwałtownym procesie rozerwania pływowego, siły pływowe czarnej dziury rozrywają zbliżającą się gwiazdę, powodując silny pojedynczy rozbłysk, trwający tylko kilka miesięcy.

Opublikowane wyniki badań międzynarodowej grupy astronomów, ze znaczącym udziałem Polaków, wskazują na istnienie nowego mechanizmu wzrostu masy czarnych dziur. W tej klasie zjawisk, trwający ponad rok rozbłysk ma wzmocnienie 50% w zakresie widzialnym i ultrafioletowym i kilka razy mocniejsze wzmocnienie niż przypadku rozerwania pływowego. Odkrycia dokonano podczas obserwacji rejonu dwóch czarnych dziur, w którym nastąpiło gwałtowne pojaśnienie.

Pierwsze ze zjawisk, nazwane OGLE17aaj, zostało wykryte przez polski projekt OGLE, działający w Obserwatorium Astronomicznym Uniwersytetu Warszawskiego od 1992 roku, wykorzystujący teleskop o średnicy 1,3 m znajdujący się w Chile. Rozbłysk OGLE17aaj został odkryty w styczniu 2017 roku dzięki codziennej analizie zdjęć tego samego obszaru nieba regularnie obserwowanego przez zespół OGLE. W danych OGLE warszawscy astronomowie zarejestrowali tajemnicze powolne pojaśnienie w centrum odległej galaktyki. Po odkryciu wykonano serię dokładnych obserwacji spektroskopowych korzystając z największych teleskopów świata, w tym ze znajdujących się w Chile teleskopów VLT i NTT należących do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), oraz południowo-afrykańskiego 11-metrowego teleskopu SALT. Obiekt był też monitorowany w ultrafiolecie i falach rentgenowskich przez kosmiczny teleskop Neil Gehrels Swift Observatory.  

W lutym 2017 roku zaobserwowano zjawisko o podobnych własnościach. Zostało ono nazwane AT2017bgt. Odkrycia dokonał amerykański zespół All Sky Automated Survey for Supernovae (ASAS-SN), w którym również zaangażowani są polscy astronomowie z Uniwersytetu Warszawskiego.

Badania zostały opublikowane w dwóch artykułach naukowych: w Nature Astronomy, którego pierwszym autorem jest Dr Benny Trakhenbrot z Uniwersytetu w Tel Avivie, a współautorami jej są mgr Aleksandra Hamanowicz, dr Mariusz Gromadzki oraz dr hab. Łukasz Wyrzykowski z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Warszawskiego oraz w Astronomy and Astrophysics Letters, dotyczącym zjawiska OGLE17aaj – opracowanym przez grupę OGLE i międzynarodowy zespół, któremu przewodził dr Mariusz Gromadzki.

„Sądziliśmy, że mamy do czynienia z dwoma podobnymi dość nietypowymi zjawiskami rozerwania pływowego. ” – opowiada Aleksandra Hamanowicz, która zajmowała się tymi zjawiskami w swojej pracy magisterskiej, obecnie doktorantka w ESO w Garching w Niemczech.

„Widma obu zjawisk zawierały dodatkowe linie związane z azotem, którego nie obserwowano do tej pory w żadnych zjawiskach tymczasowych. Dlatego szybko zorientowaliśmy się, że mamy do czynienia z czymś nowym” – mówi dr Gromadzki.

Dokładne obserwacje obu zjawisk za pomocą teleskopów naziemnych i kosmicznych trwały ponad rok. Mimo iż podobne rozbłyski nie zostały do tej pory zaobserwowane, ich przebieg pasował do przewidywań teoretycznych. „Już w latach 80-tych przewidywaliśmy, że czarna dziura połykająca otaczający ją materiał może emitować dodatkowe promieniowanie, właśnie takie jak zaobserwowane w tych zjawiskach.” – mówi prof. Hagai Netzer z Uniwersytetu w Tel Avivie, współautor odkrycia – “ nowe obserwacje potwierdzają po raz pierwszy nasze przewidywania teoretyczne”.

Naukowcom udało się dodatkowo zidentyfikować jeszcze jedno podobne zjawisko “wybudzenia” czarnej dziury, podobne do OGLE17aaj i AT2017bgt. Razem, te trzy zdarzenia tworzą nową, zagadkową klasę zjawisk związanych z “budzeniem się” czarnej dziury. “Nie jesteśmy jeszcze do końca pewni co powoduje ten nagły i dramatyczny wzrost tempa akrecji przez czarną dziurę. “ – dodaje dr Trakhtenbrot – „Mamy nadzieję, że odkryjemy więcej takich zjawisk, dzięki czemu lepiej zrozumiemy proces wzrostu czarnych dziur.”