Po raz pierwszy zaobserwowano peryferie dysku akrecyjnego czarnej dziury

Zbadanie właściwości czarnych dziur nie jest kwestią prostą. Pewnym ułatwieniem może być tutaj analiza właściwości ich dysków akrecyjnych, czyli wirującego gazu i pyłu opadającego i wchłanianego przez czarne dziury. Materia opadająca na czarną dziurę emituje ogromne ilości energii w całym widmie elektromagnetycznym – od wysokoenergetycznych promieni gamma i rentgenowskich, poprzez światło widzialne, po podczerwień.

Jednak nawet takie obserwacje nastręczają pewnych trudności, bo większości dysków akrecyjnych nie da się bezpośrednio sfotografować ze względu na dzielące nas ekstremalne odległości i ich stosunkowo małe rozmiary. Zamiast tego w swoich badaniach astronomowie wykorzystali widma światła emitowanego z wnętrza dysku, aby scharakteryzować jego właściwości.

Opis i rezultaty badań ukazały się na łamach pisma "Astrophysical Journal Letters" (DOI: 10.3847/2041-8213/ace974).

W centrum prawie każdej galaktyki znajdują się supermasywne czarne dziury. Jednak autorów ostatnich badań szczególnie interesowało to, co znajduje się na orbicie w bliskiej odległości od nich. To tzw. dyski akrecyjne, w których wokół dziury krążą gaz i pył. Można powiedzieć, że karmią one czarne dziury porcjami energii z całego elektromagnetycznego spektrum, od wysokoenergetycznego promieniowania gamma przez światło widzialne aż do fal radiowych. Zbadanie dysków akrecyjnych pozwoliłoby nam na znacznie lepsze zrozumienia funkcjonowania czarnych dziur. Problem jednak w tym, że te dyski nie jest łatwo nawet dostrzec.

Kłopoty sprawia przede wszystkim dzielący nas dystans, jak i ich niewielki rozmiar. Naukowcy są zatem zmuszeni do posługiwania się różnymi pośrednimi metodami, aby w ogóle móc określić ich cechy, np. rozmiar. W tym celu analizują widma pochodzącego z nich światła. A ostatnio przy pomocy teleskopu Gemini North pewnej obserwacji udało się dokonać po raz pierwszy.

Chodzi o galaktykę III Zw 002, gdzie niespodziewanie zaobserwowano dwie linie emisyjne w bliskiej podczerwieni. Linie emisyjne powstają, gdy wzbudzony atom schodzi na niższy poziom energetyczny uwalniając przy tym foton. A że poziomy energetyczne są unikalne dla każdego atomu, jest to jak odcisk palca. Linie te pod wpływem silnego pola grawitacyjnego czarnej dziury i tempa rotacji rozszerzają się, a region, z którego pochodzą, nazywany jest obszarem szerokich linii.

Aby stwierdzić, czy czarna dziura posiada dysk akrecyjny, należy odnaleźć konkretny układ wspomnianych szerokich linii, zwany profilem z podwójnym szczytem. Każdorazowo krążący wokół czarnej dziury gaz i pył z jednej strony oddala się od obserwatora, a z drugiej do niego przybliża, co z kolei odpowiednio rozciąga i ściska linie emisyjne w kierunku dłuższych lub krótszych fal. W ten sposób uzyskujemy poszerzoną linię z dwoma różnymi szczytami.

Takie zjawiska występują niezwykle rzadko. Linie te, pochodzące z wewnętrznego obszaru dysku znajdujące się w pobliżu supermasywnej czarnej dziury, nie dostarczają żadnych informacji na temat wielkości całego dysku akrecyjnego. Jednak ostatnie obserwacje w bliskiej podczerwieni ujawniły dwa profile z podwójnym szczytem w obszarze szerokich linii, których nigdy wcześniej nie widziano. Dostrzeżono to w galaktyce III Zw 002, a obserwacji tej dokonano przy pomocy Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS), który pozwala na prowadzenie symultanicznych obserwacji w różnych pasmach światła.

Dzięki temu możliwe stało się określenie wymiarów dysku akrecyjnego czarnej dziury. I tak promień linii wewnętrznej ustalono na 16,77 dni świetlnych, a zewnętrznej na 18,86 dni świetlnych (odległość, jaką światło pokonuje w ciągu jednego ziemskiego dnia, mierzona od supermasywnej czarnej dziury). Dla porównania Voyager 1, najdalej znajdujący się obiekt stworzony ludzką ręką, znajduje się w odległości niecałego jednego dnia świetlnego. Ustalono też, że sama czarna dziura w galaktyce III Zw 002 jest od 400 do 900 mln razy cięższa od Słońca.

Źródło: NSF's NOIRLab, fot. NOIRLab/NSF/AURA/P. Marenfeld