kozmos.hr
Astronomija

Prva promatranja ruba akrecijskog diska kod supermasivne crne rupe

crna rupa vizualizacija
objavljeno

Kada gledamo sliku galaksije, često nas obuzme osjećaj postojanja i svemirskog prostranstva. Na prvi pogled, ove prekrasne strukture mogu izgledati prilično mirno, ali srce mnogih galaksija je burno mjesto gdje se aktivno hrani supermasivna crna rupa.

Kružeći oko ovih nezamislivo gustih objekata nalaze se vrtlogasti akrecijski diskovi plina i prašine koji hrane crnu rupu i ispuštaju goleme količine energije kroz cijeli elektromagnetski spektar – od gama zraka visoke energije i X-zraka do vidljive svjetlosti, infracrvenih i radiovalova.

Proučavanje akrecijskih diskova može poboljšati razumijevanje astronoma o crnim rupama i evoluciji njihovih domaćih galaksija. Međutim, većina akrecijskih diskova je nemoguće izravno snimiti zbog njihove ekstremne udaljenosti i relativno malih veličina. Stoga astronomi koriste spektar svjetla koje dolazi iz diska kako bi karakterizirali njegovu veličinu i ponašanje.

Koristeći ovaj pristup, astronomi su koristili teleskop Gemini North, i detektirali dvije linije blizu infracrvenog zračenja na akrecijskom disku galaksije III Zw 002, postavljajući novi limit na veličinu ovih nevjerojatnih struktura.

Da bismo razumjeli ova promatranja, prvo moramo razumjeti što su emisijske linije i što nam govore o područjima oko supermasivnih crnih rupa.

Emisijske linije nastaju kada atom u uzbuđenom stanju padne na nižu energetsku razinu, pri čemu oslobađa svjetlost. Pošto svaki atom ima jedinstven skup energetskih razina, emitirana svjetlost ima diskretnu valnu duljinu koja djeluje kao otisak prsta koji identificira njen izvor. Emisijske linije obično se pojavljuju u spektru kao tanke, oštre šiljke.

Međutim, u vrtlogu akrecijskog diska, gdje je uzbuđeni plin pod gravitacijskim utjecajem supermasivne crne rupe i kreće se brzinama od tisuća kilometara u sekundi, emisijske linije se šire u pliće vrhove. Područje akrecijskog diska odakle potječu ove linije naziva se područje širokih linija.

Kao što je ranije rečeno, akrecijski diskovi su iznimno teški za izravno snimanje. Dakle, kako astronomi znaju kada supermasivna crna rupa ima disk oko sebe? Ispada da se dokaz o postojanju akrecijskog diska može naći u specifičnom uzorku širokih emisijskih linija nazvanih dvostrukim vrhovima.

Budući da se disk okreće, plin na jednoj strani udaljava se od promatrača, dok se plin na drugoj strani kreće prema promatraču. Ovi relativni pokreti protežu i stišću emisijske linije na duže i kraće valne duljine. Rezultat je proširena linija s dva jasna vrha, jednim koji potječe s svake strane brzo okrećućeg diska.

Ovi dvostruki profili su rijetka pojava jer se javljaju samo u izvorima koji se mogu promatrati gotovo frontalno. U nekoliko izvora u kojima je to primijećeno, dvostruki vrh pronađen je u H-alfa i H-beta linijama – dvije emisijske linije vodikovih atoma koje se pojavljuju u vidljivom valnom području.

Potječući iz unutarnje regije širokog područja linija blizu supermasivne crne rupe, ove linije ne daju dokaze o tome koliko je velik akrecijski disk u cijelosti. Međutim, nedavna promatranja u blizini infracrvenog spektra otkrila su regiju vanjskog širokog područja linija koje dosad nikada nije bilo viđeno.

Denimara Dias dos Santos, doktorandica na Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais u Brazilu i glavna autorica stuije, u suradnji s Albertom Rodriguez-Ardilom, Swayamtruptom Pandom i Murilom Marinellom, istraživačima na Laboratório Nacional de Astrofísica u Brazilu, prvi put je detektirala dvije blizu infracrvene dvostruke linije u širokom području linija galaksije III Zw 002.

Linija Paschen-alpha (vodik) potječe iz unutarnjeg područja širokog područja linija, a O I linija (neutralni kisik) potječe s ruba širokog područja linija, područja koje dosad nikada nije bilo viđeno. Ovo su prve dvostruke linije koje su pronađene u blizini infracrvenog spektra, a otkrivene su neočekivano tijekom promatranja s Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS).

Promatranja III Zw 002 iz 2003. u vidljivom spektru otkrila su dokaze o akrecijskom disku, a istraživanje iz 2012. pronašlo je slične rezultate. 2021. godine, Rodriguez-Ardila i njegov tim krenuli su nadopuniti ova otkrića promatranjima u blizini infracrvenog spektra koristeći GNIRS, koji je sposoban promatrati cijeli spektar blizu infracrvenog (800-2500 nanometara) odjednom.

Ostali instrumenti zahtijevaju od korisnika da prebacuju između više filtera kako bi pokrili isti raspon, što može biti dugotrajno i potencijalno može uvesti nesigurnost kako se atmosferski uvjeti i kalibracije mijenjaju između promatranja.

Budući da je GNIRS sposoban vršiti simultana promatranja kroz više svjetlosnih pojaseva, tim je mogao snimiti jedan čist, dosljedno kalibriran spektar u kojem su se otkrili višestruki dvostruki profili. “Prije nismo znali da III Zw 002 ima ovaj dvostruki profil, ali kada smo obradili podatke, vrlo jasno smo vidjeli dvostruki vrh,” rekao je Rodriguez-Ardila. “Zapravo, podatke smo obradili više puta misleći da bi mogla biti pogreška, ali svaki put vidjeli smo isti uzbudljivi rezultat.”

Ova promatranja ne samo da potvrđuju teoretsku prisutnost akrecijskog diska, već i unapređuju razumijevanje astronoma o širokom području linija.

“Po prvi put, detekcija ovakvih dvostrukih profila postavlja čvrsta ograničenja na geometriju područja koje inače nije moguće razlučiti,” rekao je Rodriguez-Ardila. “Sada imamo jasne dokaze o procesu hranjenja i unutarnjoj strukturi aktivne galaksije.”

Uspoređujući ova promatranja s postojećim modelima diska, tim je bio u mogućnosti izvući parametre koji pružaju jasniju sliku o supermasivnoj crnoj rupi III Zw 002 i širokom području linija.

Model pokazuje da linija Paschen-alpha potječe s radijusa od 16,77 svjetlosnih dana (udaljenost koju svjetlost pređe u jednom Zemljinom danu mjereno od supermasivne crne rupe), a O I linija potječe s radijusa od 18,86 svjetlosnih dana. Također predviđa da je vanjski radijus širokog područja linija 52,43 svjetlosna dana. Model također pokazuje da široko područje linija III Zw 002 ima kut nagiba od 18 stupnjeva prema promatračima na Zemlji, a supermasivna crna rupa u njenom centru ima masu između 400 i 900 milijuna puta veću od mase našeg sunca.

“Ovo otkriće pruža nam dragocjene uvide u strukturu i ponašanje širokog područja linija u ovoj posebnoj galaksiji, osvjetljavajući fascinantne fenomene koji se događaju oko supermasivnih crnih rupa u aktivnim galaksijama,” rekao je Rodriguez-Ardila.

Nakon ovog otkrića, Dias dos Santos, Rodriguez-Ardila, Panda i Marinello sada prate III Zw 002, jer se očekuje da će njezin akrecijski disk slijediti obrazac precesije oko supermasivne crne rupe. Žele vidjeti kako se profili linija mijenjaju s vremenom, jer precesija uzrokuje različite intenzitete u plavim i crvenim vrhovima. Za sada, model ostaje u skladu s njihovim promatranjima. Ovi rezultati također otvaraju mogućnost korištenja detekcije u blizini infracrvenog spektra za proučavanje drugih AGN-a.

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram –t.me/kozmoshr

Pratite Kozmos na Google Vijestima.

CroCube