Galaksije Antene kriju trag skrivene supermasivne crne rupe

Galaksije Antene desetljećima se prikazuju kao jedan od najljepših primjera galaktičkog sudara u obližnjem svemiru. No novo istraživanje upućuje na to da se iza spektakularnog stvaranja zvijezda u tom sustavu krije još jedan proces: moguća aktivnost supermasivne crne rupe duboko zaklonjene plinom i prašinom.

Ključni trag nije došao iz vidljive svjetlosti ni iz klasičnog rendgenskog potpisa aktivne galaktičke jezgre. Astronomi su ga pronašli u kratkoj promjeni milimetarskog zračenja, u izvoru toliko malenom da ga je teško objasniti običnim područjem nastanka zvijezda.

Slavni sudar galaksija skriva nemir u svojoj jezgri

Galaksije Antene, poznate i kao NGC 4038/4039, nalaze se oko 70 milijuna svjetlosnih godina od Zemlje. Riječ je o paru spiralnih galaksija koje se sudaraju i spajaju. Gravitacijska interakcija izvukla je iz njih duge repove zvijezda, plina i prašine, zbog čega cijeli sustav nalikuje ticalima kukca.

Taj je prizor poznat širokoj publici zahvaljujući fotografijama svemirskih teleskopa, ali znanstveno je važan zbog nečega konkretnijeg. Galaksije Antene najbliži su primjer spajanja dviju galaksija bogatih plinom i jedan od najboljih prirodnih laboratorija za proučavanje nastanka zvijezda u sudarima galaksija.

Do sada se sustav uglavnom tumačio kao snažna zvjezdana tvornica. Spektar Galaksija Antena bio je obilježen stvaranjem zvijezda, bez jasnog znaka da se u jednoj od jezgri nalazi aktivna galaktička jezgra, odnosno supermasivna crna rupa koja trenutačno guta okolni materijal.

No spajanje galaksija ne mora pokrenuti samo nastanak zvijezda. Isti gravitacijski poremećaji mogu usmjeriti plin prema središtima galaksija. Ako ondje postoji supermasivna crna rupa, dotok materijala može je aktivirati. Upravo je taj scenarij sada ponovno došao u prvi plan.

ALMA je uhvatila promjenu koja traje samo 13 dana

Tim koji vodi Shinya Komugi sa Sveučilišta Kogakuin u Japanu promatrao je Galaksije Antene pomoću mreže radioteleskopa ALMA, na frekvenciji od 100 gigaherca. Sustav su promatrali 52 puta tijekom približno dva i pol mjeseca, tražeći promjene u sjaju kompaktnih izvora blizu jezgre galaksije NGC 4039.

Takva potraga ima jasnu fizikalnu logiku. Ako se neki izvor promijeni u kratkom vremenu, područje iz kojeg dolazi zračenje ne može biti veliko. Svjetlost i informacija ne mogu se širiti brže od brzine svjetlosti, pa promjena koja traje nekoliko dana upućuje na vrlo malen izvor.

U središnjem području NGC 4039 istraživači su izdvojili dva kompaktna izvora, označena kao S3 i S4. S3 je sjajan i blago proširen, ali ne pokazuje promjenjivost. Zbog toga ga autori povezuju s mogućim mladim masivnim zvjezdanim skupom, iako ne isključuju drukčije tumačenje.

S4 je mnogo zanimljiviji. Taj izvor pokazuje promjenu sjaja u razdoblju od samo 13 dana. Takva brzina promjene ograničava veličinu područja iz kojeg dolazi zračenje na manje od 13 svjetlosnih dana, odnosno manje od 0,01 parseka. Za galaktičku jezgru to je iznimno malen prostor.

Izvor je premalen i prevruć za običnu zvjezdanu priču

Veličina izvora S4 najjači je dio nalaza. Područje manje od 0,01 parseka teško se uklapa u objašnjenje prema kojem signal dolazi iz običnog područja stvaranja zvijezda, oblaka prašine, ostatka supernove ili rendgenskog dvojnog sustava. Takvi izvori mogu biti snažni, ali ne objašnjavaju lako tako kompaktnu i promjenjivu milimetarsku emisiju.

Još jedan argument protiv zvjezdanog objašnjenja dolazi iz sjajnosne temperature. Na promatranoj frekvenciji ona prelazi milijun kelvina, što je previsoko za toplinsko zračenje kakvo bi se očekivalo od uobičajenih procesa povezanih s nastankom zvijezda.

Takva vrijednost upućuje na netoplinsko zračenje, povezano s česticama vrlo visokih energija. U galaktičkim jezgrama takav signal može nastati u neposrednoj okolini supermasivne crne rupe koja privlači i zagrijava okolni materijal.

Autori rada navode i važnu usporedbu: gornja granica veličine izvora približno odgovara Schwarzschildovu polumjeru supermasivne crne rupe mase oko deset milijuna Sunčevih masa. To ne znači da je masa crne rupe izravno izmjerena, ali pokazuje da se promjena sjaja uklapa u prostorne razmjere aktivne galaktičke jezgre

Crna rupa zaklonjena plinom i prašinom

Najveći izazov u tumačenju izvora S4 jest izostanak rendgenskog zračenja viših energija. Aktivna galaktička jezgra obično bi trebala proizvoditi takav signal, ali ni S3 ni S4 nisu otkriveni u tom dijelu spektra.

Zbog toga istraživači razmatraju mogućnost da je riječ o duboko zaklonjenoj aktivnoj galaktičkoj jezgri. U tom bi slučaju središte galaksije bilo okruženo vrlo gustim plinom i prašinom, pa ni prodorno rendgensko zračenje ne bi lako stiglo do promatrača. Takvi se objekti u stručnoj literaturi opisuju kao “Compton-thick” aktivne galaktičke jezgre, odnosno jezgre u kojima je okolni materijal dovoljno gust da snažno priguši i visokoenergetske rendgenske fotone.

Upravo zato milimetarsko zračenje ima posebnu vrijednost. Ono može otkriti procese koji ostaju skriveni u drugim dijelovima spektra. U ovom slučaju ALMA nije zabilježila samo kompaktan izvor u Galaksijama Antenama, nego i njegovu promjenu kroz vrijeme. Ta promjenjivost upućuje na vrlo malen i energetski neobičan izvor u jezgri NGC 4039.

Autori rada naglašavaju da nalaz još nije konačna potvrda aktivne galaktičke jezgre. Za sigurniji odgovor bit će potrebna promatranja u širem rasponu frekvencija. Posebno se ističu infracrvena spektroskopija Svemirskim teleskopom James Webb i rendgenske opservacije misijom NuSTAR, koje bi mogle pokazati je li S4 doista skriveno aktivno središte galaksije.

Ako se to potvrdi, Galaksije Antene neće biti samo najpoznatiji obližnji primjer sudara koji pokreće snažno stvaranje zvijezda. Postat će i primjer sustava u kojem se supermasivna crna rupa može aktivirati već u ranoj fazi galaktičkog spajanja, prije nego što ostavi jasan trag u optičkim i rendgenskim opservacijama.

Najpoznatiji dio priče o Galaksijama Antenama i dalje su golemi repovi zvijezda, plina i prašine. No najvažniji novi trag dolazi iz nečega mnogo manjeg: izvora koji promijeni sjaj u samo 13 dana, duboko u zaklonjenom središtu jedne od galaksija.

Ivan Petričević

Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.