Sciencemag.cz
Doporučujeme
V nové studii se výzkumníkům nejprve poprvé podařilo zachytit akreční tok směřující k obří černé díře v rámci disku s vysokou hustotou plynu.
Mezinárodnímu výzkumnému týmu pod vedením Takumy Izumiho z japonské Národní astronomické observatoři se podařilo dosáhnout milníku, kdy vědci s extrémně vysokým rozlišením (přibližně 1 světelný rok) pozoroval blízké aktivní galaktické jádro galaxie Kružítko (Circinus) pomocí dalekohledu ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array).
Jedná se o první kvantitativní měření proudění plynu a jeho struktury v bezprostřední blízkosti velmi hmotné (supermasivní) černé díry.
Vědci jasně zachytili akreční tok směřující k černé díře a odhalili, že tento tok je generován fyzikálním mechanismem známým jako gravitační nestabilita. Kromě toho tým také zjistil, že značná část tohoto akrečního toku nezpůsobuje růst černé díry. Místo toho je většina plynu vyvržena z okolí černé díry v podobě atomárních nebo molekulárních výtoků a vrací se zpět do disku plynu, kde se opět zapojí do akrečního toku směrem k černé díře: tento proces recyklace plynu se podobá vodní fontáně. Nová zjištění mají představovat zásadní pokrok směrem ke komplexnímu pochopení mechanismů růstu supermasivních černých děr.
Jak obří černé díry s hmotností i přes milion Sluncí v centrech galaxií získávají hmotu? Jedním z klíčových mechanismů růstu, který navrhl předchozí výzkum, je akrece plynu. Jedná se o proces, při kterém plyn v hostitelské galaxii nějakým způsobem padá směrem k centrální černé díře.
Plyn, který se shromažďuje v těsné blízkosti supermasivních černých děr, je vlivem gravitace černé díry urychlován na vysoké rychlosti. V důsledku intenzivního tření mezi částicemi plynu se tento plyn zahřívá na teplotu dosahující několika milionů stupňů a vyzařuje zářící světlo. Vzniká aktivní galaktické jádro (AGN) a jeho jas může někdy překonat i světlo všech hvězd v galaxii dohromady. Zajímavé je, že část plynu, který padá směrem k černé díře (akreční tok), je pravděpodobně vyfukována obrovskou energií tohoto aktivního galaktického jádra, což vede k naopak výtokům.
Teoretické studie i pozorování poskytly podrobný pohled na mechanismy akrece plynu od měřítka 100 000 světelných let až po několika set světelných let v centru galaxií. Avšak akrece plynu v mnohem menší oblasti, zejména ve vzdálenosti několika desítek světelných let od centra galaxie, zůstala nejasná/neprozkoumaná.
Pro kvantitativní pochopení růstu černých děr je například nutné změřit rychlost akrece (kolik plynu přitéká) a určit množství a typy plynů (plazma, atomární plyn, molekulární plyn), které jsou v tomto malém měřítku vyvrhovány jako odtoky. Pozorování v tomto ohledu bohužel dosud výrazně nepokročila.
V nové studii se výzkumníkům nejprve poprvé podařilo zachytit akreční tok směřující k obří černé díře v rámci disku s vysokou hustotou plynu, který se rozprostírá na vzdálenost několika světelných let od centra galaxie.
Kromě toho vědci také objasnili fyzikální mechanismus zodpovědný za vyvolání této akrece plynu. Pozorovaný disk plynů sám o sobě vykazoval tak velkou gravitační sílu, že ji nemohl udržet tlak vypočtený z pohybu plynového disku. Když nastane taková situace, disk se zhroutí pod vlastní gravitací, vytvoří složité struktury a stane se neschopným udržet stabilní pohyb v galaktickém centru. V důsledku pak plyn rychle padá směrem k centrální černé díře. Nyní ALMA jasně odhalila tento fyzikální jev (tj. gravitační nestabilita zmíněná již výše).
Kromě toho tato studie významně posunula kvantitativní chápání proudění plynu v okolí aktivního galaktického jádra. Z hustoty pozorovaného plynu a rychlosti akrečního toku lze vypočítat akreční rychlost, s jakou je plyn dodáván do černé díry. Překvapivě bylo zjištěno, že tato rychlost je třicetkrát vyšší, než je ve skutečnosti potřeba k udržení aktivity tohoto aktivního galaktického jádra. Jinými slovy, většina akrečního toku na škále 1 světelného roku v okolí galaktického centra nepřispívala k růstu černé díry. Kam se tedy tento přebytečný plyn poděje? Tato záhada byla rovněž rozluštěna – pozorování všech fází plynů (molekulární, atomární a plazmatické plyny střední hustoty; odpovídají červené, modré a růžové oblasti na obrázku výše) pomocí dalekohledu ALMA detekovala odtoky z aktivního galaktického jádra.
Kvantitativní analýzou bylo zjištěno, že většina plynu, který proudil směrem k černé díře, byla vyvržena jako atomární nebo molekulární odtoky. Vzhledem k jejich pomalým rychlostem však nemohly uniknout gravitačnímu potenciálu černé díry a nakonec se vrátily zpět do disku plynu. Tam byly recyklovány zpět do akrečního toku směrem k černé díře, podobně jako fontána, čímž byl dokončen fascinující proces recyklace plynu v centru galaxie (viz obrázek níže).
Obrázek znázorňuje rozložení mezihvězdného prostředí v aktivním galaktickém jádru. Molekulární plyn o vysoké hustotě proudí z galaxie směrem k černé díře podél roviny disku. Materiál nahromaděný kolem černé díry generuje obrovské množství energie, což způsobuje destrukci molekulárního plynu a jeho přeměnu na atomární plyn a plazma. Většina těchto plynů je vytlačena pryč prostřednictvím výtoků z jádra (včetně výtoků plazmatu, které se vyskytují především ve směru nad diskem, a atomárních nebo molekulárních výtoků, které se vyskytují především šikmo), ale většina těchto výtoků spadne zpět do disku a působí jako plynová fontána. Kredit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), T. Izumi a kol.
Takuma Izumi et al, Supermassive black hole feeding and feedback observed on sub-parsec scales, Science (2023). DOI: 10.1126/science.adf0569. www.science.org/doi/10.1126/science.adf0569
Zdroj: ALMA / Phys.org, přeloženo / zkráceno
