Astronomiczny Obiekt Miesiąca: Wrzesień 2021

< poprzedni Archiwum następny >

Rentgenowska lupa poprawia widoczność odległych czarnych dziur

Astronomowie uchwycili niespotykany dotąd obraz emisji rentgenowskiej pochodzącej z układu czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie. Wykorzystali w tym celu naturalną kosmiczną soczewkę. To „szkło powiększające” zostało po raz pierwszy użyte do wyostrzenia obrazów rentgenowskich zebranych przez Obserwatorium Chandra. Zarejestrowano szczegóły morfologii czarnych dziur, które w normalnych warunkach są zbyt odległe, aby można je było badać za pomocą istniejących teleskopów rentgenowskich.

W badaniach wykorzystano zjawisko soczewkowania grawitacyjnego, występujące, gdy światło odległych obiektów jest zakrzywiane przez duże skupiska mas – takie jak galaktyka położona na linii widzenia, pomiędzy nami a dalekim obiektem. Soczewkowanie może znacząco powiększać i wzmacniać światło składające się na widoczny obraz obiektu, a także tworzyć jego zduplikowane kopie. Konfiguracja tych powielonych obrazów może być wówczas użyta do rozszyfrowania złożoności obiektu i wyostrzenia jego widoczności.

Para czarnych dziur, badana dzięki takiej soczewce grawitacyjnej w ramach omawianej pracy naukowej, nosi nazwę MG B2016+112. Promienie rentgenowskie wykryte przez Chandrę były emitowane przez ten układ już wtedy, gdy Wszechświat miał zaledwie 2 miliardy lat. To niewiele w porównaniu z jego obecnym wiekiem, wynoszącym prawie 14 miliardów lat. Wysiłki uczonych zmierzające do zrozumienia tak odległych obiektów widocznych na falach rentgenowskich byłyby skazane na niepowodzenie, gdyby nie mieli oni do dyspozycji tego naturalnego szkła powiększającego.

Najnowsze badania opierają się na wcześniejszych pracach prowadzonych przez Cristianę Spingolę z INAF w Bolonii. Wykorzystując dostępne obserwacje radiowe obiektu MGB2016+112, ona i jej zespół znaleźli dowody na istnienie w nim pary szybko rosnących supermasywnych czarnych dziur, oddzielonych od siebie jedynie o około 650 lat świetlnych. Odkryto też, że obie czarne dziury prawdopodobnie posiadają dżety.

Korzystający z modelu soczewkowania grawitacyjnego zbudowanego w opaciu o te dane radiowe astronomowie doszli następnie do wniosku, że trzy obrazy źródeł promieniowania rentgenowskiego wykryte w MG B2016+112 są rezultatem zjawiska soczewkowania dla dwóch różnych obiektów. Te dwa obiekty emitujące promieniowanie rentgenowskie są najprawdopodobniej parą supermasywnych czarnych dziur lub jedną rosnącą, supermasywną czarną dziurą i jej dżetem. Szacowana separacja przestrzenna tych obiektów jest przy tym zgodna z wynikami wcześniejszych badań prowadzonych na falach radiowych.

Poprzednie obserwacje par i trójek rosnących supermasywnych czarnych dziur z udziałem teleskopu Chandra obejmowały głównie obiekty leżące znacznie bliżej nas, lub położone znacznie dalej od siebie. Już wcześniej zaobserwowano dżet rentgenowski w jeszcze większej odległości od Ziemi, przy czym jego światło wyemitowane zostało, gdy Wszechświat liczył sobie zaledwie 7% obecnego wieku. Jednak tamta emisja dżetu była oddalona od czarnej dziury o około 160 000 lat świetlnych.

Nowy wynik jest istotny, ponieważ daje nam kluczowe informacje o szybkości wzrostu czarnych dziur we wczesnym Wszechświecie, a także poszerza wiedzę z zakresu możliwości wykrywania układów podwójnych czarnych dziur. Soczewka grawitacyjna wzmacnia światło rentgenowskie tych odległych obiektów, które w przeciwnym przypadku byłoby zbyt słabe do wykrycia. Zarejestrowana dzięki temu emisja jednego ze składników widocznych w MG B2016+112 może być nawet 300 razy jaśniejsza niż sam jego obraz uzyskany bez soczewkowania.

Astronomowie odkrywają czarne dziury o masach miliardy razy większych niż masa Słońca, powstałe zaledwie setki milionów lat po Wielkim Wybuchu. Chcą teraz rozwiązać zagadkę czarnych dziur – dowiedzieć się, w jaki sposób tak szybko nabrały one masy we wczesnym Wszechświecie. Dane dostępne dzięki soczewkom grawitacyjnym mogą też umożliwić im oszacowanie, w ilu takich układach podwójnych dwie supermasywne czarne dziury krążą na tyle blisko siebie, by ostatecznie wytworzyć możliwe w przyszłości do wykrycia fale grawitacyjne.

– Ten wynik jest poruszającym dowodem na to, jak bardzo takie „szkło powiększające” pomaga w badaniach odległych supermasywnych czarnych dziur przy użyciu nowatorskich metod. Bez tego efektu Chandra musiałaby obserwować je kilkaset razy dłużej, a nawet wtedy nie ujawniłaby tak skomplikowanych struktur – podsumowuje współautorka badań, Anna Barnacka (CfA/Uniwersytet Jagielloński), która opracowała technikę przekształcania soczewek grawitacyjnych w wysokorozdzielcze „teleskopy” do badań odległych obiektów.

Niepewność wyznaczonego położenia jednego z obiektów rentgenowskich w MG B2016+112 to 130 lat świetlnych w jednym wymiarze i 2000 w drugim, prostopadłym do niego. Oznacza to, że rozmiar obszaru, w którym prawdopodobnie znajduje się to źródło, jest ponad 100 razy mniejszy niż obszar możliwy do wyznaczenia dla typowego źródła widzianego przez teleskop Chandra, które nie jest soczewkowane. Taka precyzja w określaniu położeń obiektów leżących w podobnych odległościach od nas nie ma sobie równych we współczesnej astronomii rentgenowskiej.


Oryginalna publikacja: Daniel Schwartz, Cristiana Spingola, Anna Barnacka, Resolving Complex Inner X-ray Structure of the Gravitationaly Lensed AGN MGB2016+112, 2021, The Astrophysical Journal, 917, 26.

Przedstawione wyniki są częścią badań prowadzonych w Zakładzie Astrofizyki Wysokich Energii Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Programem Chandra zarządza należące do NASA Marshall Space Flight Center.



Kontakt:

Anna Barnacka Obserwatorium Astronomiczne Uniwersytetu Jagiellońskiego A.Barnacka [at] oa.uj.edu.pl