Komunikat prasowy

Co aktywuje supermasywną czarną dziurę?

Galaktyczne kolizje nie są sprawcami, nawet w gęsto wypełnionym wczesnym Wszechświecie

13 lipca 2011

Niespodzianką okazały się wyniki najnowszych badań naukowych korzystających z danych z Bardzo Dużego Teleskopu VLT (Europejskie Obserwatorium Południowe ESO) oraz kosmicznego obserwatorium rentgenowskiego XMM-Newton (Europejska Agencja Kosmiczna ESA). Większość olbrzymich czarnych dziur w centrach galaktyk nie zostało uruchomionych na skutek połączenia się dwóch galaktyk, jak przypuszczano do tej pory.

Niespodzianką okazały się wyniki najnowszych badań naukowych korzystających z danych z Bardzo Dużego Teleskopu VLT (Europejskie Obserwatorium Południowe ESO) oraz kosmicznego obserwatorium rentgenowskiego XMM-Newton (Europejska Agencja Kosmiczna ESA). Większość olbrzymich czarnych dziur w centrach galaktyk nie zostało uruchomionych na skutek połączenia się dwóch galaktyk, jak przypuszczano do tej pory.

W sercach większości, jeśli nie wszystkich, dużych galaktyk skrywają się supermasywne czarne dziury o masach miliony, a czasami miliardy razy większych niż masa Słońca. W wielu galaktykach, także w naszej Drodze Mlecznej, centralna czarna dziura jest spokojna. Ale w niektórych, szczególnie we wczesnej historii Wszechświata [1], centralny potwór pożera otaczającą materię, a gdy ta spada na czarną dziurę, powoduje to intensywne promieniowanie.

Jedną z zagadek jest źródło, z którego pochodzi materia aktywująca uśpioną czarną dziurę i wzbudzająca gwałtowne wybuchy w centrum galaktyki, tak że staje się ono aktywnym centrum galaktyki (AGN – active galactic nucleus). Do tej pory wielu astronomów uważało, że większość aktywnych galaktyk została zainicjowana poprzez galaktyczne mergery, czyli zderzenia galaktyk, albo w sytuacjach bliskiego przejścia dwóch galaktyk obok siebie, kiedy to zaburzona materia stawała się paliwem dla centralnej czarnej dziury. Jednak nowe wyniki badań pokazują, że ta koncepcja może być nieprawdziwa dla wielu aktywnych galaktyk.

Viola Allevato (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik; Excellence Cluster Universe, Garching, Niemcy) oraz międzynarodowy zespół naukowców z projektu COSMOS [2] szczegółowo zbadał ponad 600 aktywnych galaktyk w obszarze nieba zwanym polem COSMOS [3]. Tak jak się spodziewano, astronomowie stwierdzili, że ekstremalnie jasne aktywne jądra galaktyk są rzadkie, a większość aktywnych galaktyk w ciągu ostatnich 11 miliardów lat była jedynie przeciętnie jasna. Jednak natknięto się także na niespodziankę – dane pokazały, że większość tych mniej jasnych aktywnych galaktyk nie zostało wzbudzonych przez zderzenia między galaktykami, nawet w bardzo odległej przeszłości [4]. Wyniki badań ukażą się w The Astrophysical Journal.

Aktywne jądro galaktyki ujawnia swoją obecność poprzez promieniowanie rentgenowskie emitowane z okolic czarnej dziury, co zostało zaobserwowane przez kosmiczne obserwatorium XMM-Newton należące do Europejskiej Agencji Kosmicznej ESA. Te same galaktyki były jednocześnie obserwowane przez Bardzo Duży Teleskop VLT, należący do Europejskiego Obserwatorium Południowego ESO. Dzięki VLT można było wyznaczyć odległości do galaktyk [5]. Połączone razem obserwacje pozwoliły badaczom na utworzenie trójwymiarowej mapy pokazujące gdzie znajdują się aktywne galaktyki.

„Zajęło to ponad pięć lat, ale udało nam się otrzymać jeden z największych i najbardziej kompletnych katalogów galaktyk aktywnych na niebie rentgenowskim” powiedziała Marcella Brusa, jedna z autorek badań.

Astronomowie mogli następnie użyj nowej mapy do dowiedzenia się w jaki sposób galaktyki aktywne są rozmieszczone i porównać obserwacje z teoretycznymi przewidywaniami. Mogli także zobaczyć w jaki sposób zmieniało się rozłożenie galaktyk wraz z wiekiem Wszechświata od około 11 miliardów lat wstecz do prawie współczesnych czasów.

Zespół zauważył, że aktywne jądra galaktyk są przeważnie obecne w dużych, masywnych galaktykach zawierających wiele ciemnej materii [6]. Było to niespodzianką niezgodną z teoretycznymi przewidywaniami – gdyby większość aktywnych jąder galaktyk była konsekwencją mergerów i kolizji pomiędzy galaktykami, powinny być odnajdywane w galaktykach o średniej masie (około bilion razy większej niż masa Słońca). Zespół stwierdził, że większość aktywnych jąder galaktyk rezyduje w galaktykach o masach około 20 razy większych niż wartość przewidywana przez teorię mergerów.

„Te rezultaty dają nam nowy pogląd na to w jaki sposób supermasywne czarne dziury rozpoczynają swoje ucztowanie” powiedział Viola Allevato, główny autor publikacji. „Wyniki wskazują, że czarne dziury są zazwyczaj zasilane przez procesy wewnątrz galaktyki, takie jak niestabilności dyskowe i wybuchy gwiazd, a nie przez zderzenia galaktyk.”

Alexis Finoguenov, który był promotorem pracy, podsumowuje: „Nawet w odległej przeszłości, do prawie 11 miliardów lat wstecz, zderzenia galaktyk mogą odpowiadać jedynie za niewielki procent średnio jasnych galaktyk aktywnych. W tamtych czasach galaktyki znajdowały się bliżej siebie, więc oczekuje się, że mergery były znacznie częstsze niż w bliższej przeszłości, tak więc nowe wyniki są jeszcze bardziej zaskakujące.”

Uwagi

[1] Najjaśniejsze galaktyki aktywne były najpowszechniejsze we Wszechświecie około trzy do czterech miliardów lat po Wielkim Wybuchu, a mniej jasne obiekty w późniejszym czasie, z maksimum około ośmiu miliardów lat po Wielkim Wybuchu.

[2] Nowe badania opierają się na dwóch wielkich europejskich projektach astronomicznych: przeglądzie pola COSMOS za pomocą XMM-Newton, prowadzonym przez profesora Günthera Hasingera oraz zCOSMOS w Europejskim Obserwatorium Południowym, prowadzonym przez profesora Simona Lilly. Te programy badawcze są częścią inicjatywy COSMOS, międzynarodowej współpracy w obserwacjach fragmentu nieba za pomocą Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (NASA/ESA), rentgenowskiego XMM-Newton (ESA) i Chandra  X-Ray Observatory (NASA), a także podczerwonego Kosmicznego Teleskopu Spitzera (NASA), wspieranych przez obserwacje Bardzo Dużym Teleskopem VLT (ESO) i innymi teleskopami naziemnymi.

[3] Pole COSMOS ma obszar około dziesięć razy większy niż tarcza Księżyca w pełni. Znajduje się w gwiazdozbiorze Sekstantu. Mapy tego obszar zostały wykonane wieloma teleskopami na różnych długościach fali, dzięki czemu wiele badan może korzystać z bogactwa zgromadzonych danych.

[4] Praca opublikowana w ubiegłym roku Kosmicznego Teleskopu Hubble’a (NASA/ESA) (heic1101) pokazała, że nie ma silnego związku pomiędzy aktywnymi jądrami galaktyk, a mergerami w próbce relatywnie bliskich galaktyk. To badanie obejmowało okres około ośmiu miliardów lat wstecz, natomiast nowe wyniki przesuwają wnioski o trzy miliardy lat dalej, do czasów gdy galaktyki były rozmieszczone znacznie bliżej siebie.

[5] Zespół użył spektrografu na VLT do rozdzielenie słabego światła galaktyk na składowe kolory. Staranne analizy pozwoliły następnie na ustalenie przesunięcia ku czerwieni, czyli tego jak bardzo światło zostało rozciągnięte przez rozszerzanie Wszechświata od momentu gdy opuściło galaktyki, co pozwala określić odległości do nich. Ponieważ światło podróżuje ze skończoną prędkością, wynik ten mówi nam też jak daleko w czasie widzimy odległe obiekty.

[6] Ciemna materia to tajemnicza substancja, która formuje niewidzialne składniki większości, jeśli nie wszystkich, galaktyk (aktywnych i pozostałych) – także naszej Drogi Mlecznej. Autorzy oszacowali ilość masy ciemnej materii w każdej galaktyce – która określa jej całkowitą masę – z rozmieszczenia galaktyk.

Więcej informacji

Wyniki badań zostały zaprezentowane w The Astrophysical Journal lipcu 2011 roku.

Skład zespołu badawczego: V. Allevato (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik [IPP]; Excellence Cluster Universe, Garching, Niemcy), A. Finoguenov (Max-Planck-Institut für Extraterrestrische Physik [MPE], Garching, Niemcy oraz University of Maryland, Baltimore, USA), N. Cappelluti (INAF-Osservatorio Astronomico de Bologna [INAF-OA], Włochy oraz University of Maryland, Baltimore, USA), T.Miyaji (Universidad Nacional Autonoma de Mexico, Ensenada, Meksyk oraz University of California at San Diego, USA), G. Hasinger (IPP), M. Salvato (IPP, Excellence Cluster Universe, Garching, Niemcy), M. Brusa (MPE), R. Gilli (INAF-OA), G. Zamorani (INAF-OA), F. Shankar (Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching, Germany), J. B. James (University of California at Berkeley, USA oraz University of Copenhagen, Dania), H. J. McCracken (Observatoire de Paris, Francja), A. Bongiorno (MPE), A. Merloni (Excellence Cluster Universe, Garching, Niemcy oraz MPE), J. A. Peacock (University of California at Berkeley, USA), J. Silverman (University of Tokyo, Japan) oraz A. Comastri (INAF-OA).

ESO, Europejskie Obserwatorium Południowe, jest wiodącą międzyrządową organizacją astronomiczną w Europie i najbardziej produktywnym obserwatorium astronomicznym na świecie. Jest wspierane przez 15 krajów: Austria, Belgia, Brazylia, Czechy, Dania, Finlandia, Francja, Hiszpania, Holandia, Niemcy, Portugalia, Szwajcaria, Szwecja, Wielka Brytania oraz Włochy. ESO prowadzi ambitne programy dotyczące projektowania, konstrukcji i użytkowania silnych naziemnych instrumentów obserwacyjnych, pozwalając astronomom na dokonywanie znaczących odkryć naukowych. ESO odgrywa wiodącą rolę w promowaniu i organizowaniu współpracy w badaniach astronomicznych. ESO zarządza trzema unikalnymi, światowej klasy obserwatoriami w Chile: La Silla, Paranal i Chajnantor. W Paranal ESO posiada Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope), najbardziej zaawansowane na świecie astronomiczne obserwatorium w świetle widzialnym oraz dwa teleskopy do przeglądów. VISTA pracuje w podczerwieni i jest największym na świecie instrumentem do przeglądów nieba, natomiast VLT Survey Telescope to największy teleskop dedykowany przeglądom nieba wyłącznie w zakresie widzialnym. ESO jest europejskim partnerem dla rewolucyjnego teleskopu ALMA, największego istniejącego projektu astronomicznego. ESO planuje obecnie 40-metrowej klasy Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski (European Extremely Large optical/near-infrared Telescope - E-ELT), który stanie się “największym okiem świata na niebo”.

Linki

• Publikacja naukowa
• Zdjęcia VLT
• Komunikat prasowy HST (heic1101)
• Powiększenie pola COSMOS
  

Kontakt

Dr Alexis Finoguenov
Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik
Garching, Germany
Tel.: +49 89 30000 3644
E-mail: alexis@mpe.mpg.de

Viola Allevato
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik; Excellence Cluster Universe
Garching, Germany
Tel.: +49 89 3299 1558
E-mail: viola.allevato@ipp.mpg.de

Richard Hook
ESO, La Silla, Paranal, E-ELT and Survey Telescopes Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel.: +49 89 3200 6655
E-mail: rhook@eso.org

Krzysztof Czart (Kontakt dla mediów Polska)
Sieć Popularyzacji Nauki ESO oraz Urania - Postępy Astronomii
Toruń, Polska
Tel.: +48 513 733 282
E-mail: eson-poland@eso.org

Śledź ESO w mediach społecznościowych