Galaksija Circinus, udaljena oko 13 milijuna svjetlosnih godina, u svom središtu skriva aktivnu supermasivnu crnu rupu koja i dalje utječe na njezinu evoluciju. Najveći izvor infracrvenog zračenja iz područja najbližeg crnoj rupi dugo se pripisivao odljevima, tokovima pregrijane tvari koji iz središta izbijaju prema van. Nova opažanja NASA-inim svemirskim teleskopom James Webb, uz usporedbu s novom fotografijom svemirskog teleskopa Hubble, sada upućuju na suprotno: većina vrućeg, prašnjavog materijala u toj regiji ne odlazi, nego se slijeva prema središtu i hrani crnu rupu. Rezultati su objavljeni u časopisu Nature Communications, a istraživanje uključuje i najoštriju Webbovu sliku okoline crne rupe dosad.
Supermasivne crne rupe ostaju aktivne jer “jedu” okolnu tvar. Plin i prašina koji upadaju prema središtu nakupljaju se u prsten nalik krafni, strukturu poznatu kao torus. Kako crna rupa skuplja materijal s unutarnjih rubova tog torusa, nastaje akrecijski disk, usporediv s vrtlogom vode oko odvoda. Trenje u disku podiže temperaturu, a na kraju ga zagrije dovoljno da počne zračiti svjetlost.
Upravo ta svjetleća tvar može postati toliko sjajna da je s teleskopima na Zemlji teško razlučiti detalje u središtu galaksije. U slučaju Circinusa problem je dodatno pojačan jakim, “zasljepljujućim” zvjezdanim svjetlom u tom području. Istodobno, sam torus je iznimno gust, pa je unutarnja regija materijala koji pada prema crnoj rupi, zagrijana njezinim utjecajem, zaklonjena našem pogledu. Desetljećima su astronomi zato morali graditi i poboljšavati modele galaksije na temelju podataka koje su mogli prikupiti, bez mogućnosti da središte stvarno razluče.
“Kako bi proučili supermasivnu crnu rupu, iako je nisu mogli razlučiti, morali su dobiti ukupni intenzitet unutarnje regije galaksije u širokom rasponu valnih duljina i zatim te podatke ubaciti u modele”, rekao je glavni autor Enrique Lopez-Rodriguez sa Sveučilišta u Južnoj Karolini.
Rani modeli pokušavali su uskladiti spektre za pojedine komponente, primjerice emisije torusa, emisije dijela akrecijskog diska najbližeg crnoj rupi ili emisije iz odljevnih struktura, pri čemu je svaka od tih komponenti bila uočljiva na određenim valnim duljinama. No kako cjelokupna regija nije mogla biti razlučena, modeli su ostavljali praznine na nizu valnih duljina. Pojedini teleskopi, primjerice, bilježili su višak infracrvenog zračenja, ali nisu imali razlučivost koja bi pokazala točno odakle taj višak dolazi.
“Od 1990-ih nije bilo moguće objasniti višak infracrvenih emisija koje dolaze od vruće prašine u jezgrama aktivnih galaksija, što znači da modeli uzimaju u obzir ili torus ili odljeve, ali ne mogu objasniti taj višak”, rekao je Lopez-Rodriguez.
Takvi modeli često su zaključivali da većina emisije, a time i mase, blizu središta potječe iz odljevnih tokova. Da bi se ta ideja provjerila, astronomima su trebale dvije stvari: mogućnost da se “filtrira” zvjezdano svjetlo koje je prije sprječavalo dublju analizu i mogućnost da se infracrvene emisije torusa razdvoje od emisija odljevnih struktura. Upravo je Webb, zbog svoje osjetljivosti i tehnološke sofisticiranosti, omogućio rješavanje oba problema.
Interferometar u svemiru: Webb kao “niz manjih teleskopa”
Za pogled u samo središte Circinusa Webb je koristio interferometrijski način rada s maskom u otvoru teleskopa (Aperture Masking Interferometer), na instrumentu NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph). Na Zemlji se interferometrija najčešće provodi nizovima teleskopa, odnosno sustavima zrcala ili antena koji zajednički rade kao jedan, efektivno veći instrument. Svjetlost iz istog izvora pritom se prikuplja na više odvojenih “ulaza” i zatim spaja, pa se valovi preklapaju i stvaraju interferencijske uzorke. Analizom tih uzoraka astronomi mogu rekonstruirati veličinu, oblik i fine strukture udaljenih objekata s razlučivošću koju klasična opažanja ne mogu postići.
Aperture Masking Interferometer omogućuje da Webb djeluje kao interferometar bez dodatnog niza teleskopa. U otvor teleskopa umeće se maska sa sedam malih heksagonalnih otvora koji propuštaju svjetlost kroz nekoliko odvojenih putanja i tako stvaraju interferencijski uzorak izravno na detektoru.
Slika: NASA, ESA, CSA, Enrique Lopez-Rodriguez (Sveučilište u Južnoj Karolini), Deepashri Thatte (STScI); obrada slike: Alyssa Pagan (STScI); zahvala: NSF’s NOIRLab, CTIO
“Te rupe u maski pretvaraju se u male kolektore svjetlosti koji vode svjetlost prema detektoru kamere i stvaraju interferencijski uzorak”, rekao je Joel Sanchez-Bermudez, suautor sa Sveučilišta u Meksiku.
S novim podacima istraživači su iz interferencijskih uzoraka rekonstruirali sliku središnje regije. Pritom su se oslonili i na podatke iz ranijih opažanja kako bi provjerili da Webbovi rezultati nisu opterećeni artefaktima. Rezultat je bilo prvo ekstragalaktičko opažanje dobiveno infracrvenom interferometrijom iz svemira.
“Upotrebom naprednog načina snimanja kamere možemo učinkovito udvostručiti njezinu razlučivost na manjem području neba”, rekao je Sanchez-Bermudez. “To nam omogućuje slike dvostruko oštrije. Umjesto Webbova promjera od 6,5 metara, kao da ovo područje promatramo svemirskim teleskopom promjera 13 metara.”
87% zračenja dolazi iz najbliže zone
Analiza je pokazala da se nova fotografija Circinusa ne slaže sa starijim modelima koji su višak infracrvenog zračenja pripisivali odljevima. Čak oko 87% infracrvenih emisija vruće prašine dolazi iz područja najbližih središnjoj crnoj rupi. Na vruće, prašnjave odljeve otpada manje od 1% emisija. Preostalih 12% dolazi iz udaljenijih područja koja se ranije nisu mogla pouzdano razlučiti.
“Prvi put je Webbov način rada s visokim kontrastom korišten za opažanje ekstragalaktičkog izvora”, rekao je Julien Girard, suautor rada i viši istraživački znanstvenik pri Space Telescope Science Institute.
“Nadamo se da će naš rad potaknuti druge astronome da isprobaju ovaj interferometrijski način rada s maskom u otvoru teleskopa, kako bi proučavali slabe, ali relativno male, prašnjave strukture u blizini bilo kojeg sjajnog objekta”, dodao je Girard.
Iako je višak emisija u Circinusu ovime dobio uvjerljivo objašnjenje, u svemiru postoje milijarde crnih rupa. Autori pritom ističu da bi ključna razlika mogla biti u luminoznosti: ovisno o tome koliko je središnji izvor sjajan, emisijama može dominirati torus ili odljevi.
“Unutarnja sjajnost akrecijskog diska u Circinusu vrlo je umjerena”, rekao je Enrique Lopez-Rodriguez. “Zato ima smisla da emisijama dominira torus. Ali možda kod sjajnijih crnih rupa emisijama dominira odljev.”
Ovo istraživanje donosi i provjerenu tehniku kojom se sada mogu ispitivati i druga aktivna galaktička središta, pod uvjetom da su dovoljno sjajna da ovakav interferometrijski način rada uopće bude primjenjiv. Sljedeći korak je proširiti broj ciljeva i izgraditi katalog emisijskih svojstava, kako bi se utvrdilo je li Circinus iznimka ili dio šireg, ponovljivog obrasca.
“Treba nam statistički uzorak crnih rupa, možda desetak ili dva desetka, kako bismo razumjeli kako se masa u njihovim akrecijskim diskovima i njihovim odljevima odnosi prema njihovoj snazi”, rekao je Lopez-Rodriguez.
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.
