Astronomija

27.03.2017.

„Nogirana“ crna jama

Jedna izuzetna, premda možda i ne tako rijetka pojava, otkrivena je u jednoj eliptičnoj galaktici u zviježđu Risa nekim od najboljih astronomskih instrumenata današnjice. Ta je galaktika članica jednog masivnog galaktičkog jata, udaljenog od nas oko 8 milijardi svjetlosnih godina*. No, ono što je čini posebnom, jest kvazar kojega ona sadrži. U središtima većine velikih galaktika zatičemo tzv. supermasivne crne jame, zagonetne objekte koji ne samo da generiraju dovoljno snažna gravitacijska polja da iz njih ne može pobjeći ni sama svjetlost, već koji usto imaju i mase koje se mjere milijunima, pa čak i milijardama Sunčevih masa. Crne jame po definiciji ne možemo vidjeti i njih se da opaziti jedino po gravitacijskom utjecaju kojega ostvaruju na svoju okolicu. Iako svemirski prostor obično poistovjećujemo s vakuumom, on zapravo nikada nije prazan, a to posebno vrijedi za središta galaktika gdje se u međuzvjezdanom prostoru može naći značajna količina tvari – u prvom redu plina vodika. Približi li se dovoljno iz nekog razloga crnoj jami, taj materijal može pasti na nju, ali ne prije negoli oko nje oblikuje razmjerno tanki vrteći disk. Unutarnji dijelovi toga akrecijskog diska se pri tom zagriju do te mjere da stanu različitim mehanizmima odašiljati elektromagnetsko zračenje u širokom rasponu valnih duljina, napajano gravitacijskom energijom crne jame. U nekim slučajevima toga materijala oko supermasivne crne jame ima u izobilju, pa odljev energije iz masivnog akrecijskog diska može nadmašiti sjaj cijelog ostatka galaktike. Takvi koncentirani izvori svjetlosti na fotografijama izgledaju poput zvijezda u našem Mliječnom Putu, iako se nalaze u galaktikama udaljenima i po nekoliko milijardi svjetlosnih godina! Stoga ih se naziva „kvazistelarnim objektima“ ili jednostavno „kvazarima“. Danas je poznato više od 200 tisuća kvazara, što je samo djelić ukupnog broja dalekih galaktika.

Kvazari su toliko sjajni da dugo vremena po njihovu otkriću koncem 1950-ih godina nije bilo moguće raspoznati galaktike u kojima se nalaze. Zapravo, do 1990-ih godina nije bilo posve jasno ni gdje su oni: u našoj galaktici ili negdje izvan nje. Tek je izuzetna razlučna moć NASA-inog Svemirskog teleskopa Hubble omogućila da se dilema definitivno razriješi. Hubble je prvi pružio neposredne, fotografske dokaze da su blistavi kvazari u srcima bljedunjavih galaktika u dalekom svemiru! No, kako otkriva jedna nova opservacija načinjena upravo tim teleskopom, izgleda da nije uvijek baš tako. Istina, kvazar o kojemu je ovdje riječ i koji nosi oznaku 3C 186, još uvijek boravi u matičnoj galaktici, ali on odavno više nije u njenom središtu i zapravo se velikom brzinom udaljava od njega. Spektralna analiza svjetlosti iz plina koji okružuje supermasivnu crnu jamu – „motor“ kvazara – pokazuje da taj objekt s masom oko milijardu puta većom od Sunčeve ore vanjskim predjelima galaktike brzinom od približno 2000 km/s! Tom bi se brzinom od Zemlje do Mjeseca stiglo za tek malo više od tri minute. Naravno, smjesta se nameće pitanje što je jedan tako masivan objekt moglo izbaciti iz galaktičke jezgre i još mu k tome dati tako veliku brzinu.

Hubbleove fotografije šest kvazara i njihovih matičnih galaktika, udaljenih od nas od 1,4 do 2,2 milijarde svjetlosnih godina. (John Bahcall, Mike Disney i NASA)

Proračun pokazuje da bi za takvo što bila potrebna količina energije jednaka onoj koju bi oslobodila istodobna eksplozija 100 milijuna supernova! Samo jedan proces za koji znamo može biti zaslužan za oslobađanje tolike energije u dovoljno kratkom vremenu: emisija gravitacijskih valova izazvanih sudarom supermasivnih crnih jama. Prema Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti, dva zbijena i masivna objekta koja kruže jedan oko drugog** generiraju tom vrtnjom u tkivu samog prostora nabore koji se šire od njih brzinom svjetlosti. Ti tzv. gravitacijski valovi se energijom napajaju iz gibanja zbijenih objekata, usljed čega njihova emisija rezultira smanjivanjem udaljenosti među tijelima i ubrzavanjem njihova kruženja. Emisija gravitacijskih valova je najsnažnija neposredno prije negoli će se objekti sudariti i stopiti u jedinstveno tijelo. Ako je riječ o dovoljno ekstremnim objektima, poput  crnih jama, gravitacijske valove koji nastanu tijekom završnih trenutaka njihova međusobnog urušavanja, odnedavno je moguće opaziti i ovdje na Zemlji, instrumentima namijenjenima upravo toj svrsi. Prošle je godine tako objavljeno da su dva detektora američkog Opservatorija s laserskim interferometrom za gravitacijske valove (engl. krat. LIGO) registrirala dva zasebna izboja gravitacijskih valova, izazvana upravo stapanjem crnih jama. Bila je riječ o tzv. stelarnim crnim jamama, čije su mase desetke milijuna puta manje od mase one koja napaja 3C 186 i koje su nam pored toga osjetno bliže od toga kvazara.

Ilustracija prikazuje približavanje dviju supermasivnih crnih jama u galaktici nastaloj stapanjem dviju manjih (1), njihovo međusobno orbitiranje i emisiju gravitacijskih valova (2), sudar tih masivnih objekata (3) i trenutni položaj kvazara 3C 186 unutar matične galaktike (4). Strelica sugerira veliku brzinu kojom crna jama hita iz galaktike. (NASA, ESA i A. Feild (STScI))

Međusobni sudari i srastanja galaktika su procesi koje viđemo posvuda na nebu, u svim razdobljima povijesti kozmosa. Ako su dvije galaktike uključene u neko takvo stapanje prije sudara u svojim jezgrama posjedovale supermasivne crne jame, ti masivni objekti ubrzo potonu u središte novonastale eliptične galaktike i tamo oblikuju dvojni sustav. Dok kruže jedna oko druge, one odašilju gravitacijske valove i na taj način gube kutni moment – približavaju se jedna drugoj! Ako su njihove mase neujednačene i ako se pored toga i vrte razlitičim brzinama, ta gravitacijska emisija je anizotropna, tj. jače je usmjerena u nekom preferiranom smjeru. U trenutku kada se crne jame konačno stope, one prestanu proizvoditi gravitacijske valove, te odskoče u smjeru suprotnom od onoga u kojemu su valovi bili odašiljani u najvećoj mjeri. Velika, netom formirana crna jama izleti usljed toga iz jezgre galaktike poput topovskog taneta! Taj scenarij se u ovom trenutku čini najuvjerljivijim tumačenjem onoga što je viđeno u galaktici koja sadrži 3C 186. Tamošnja supermasivna crna jama je u ovom času*** udaljena od središta matične galaktike oko 35 tisuća svjetlosnih godina, što je znatno više od Sunčeve udaljenosti od srca Mliječnog Puta. Ovom brzinom, kvazaru će trebati oko 20 milijuna godina da u potpunosti napusti galaktiku i otisne se na putovanje „otvorenim“ svemirom. To bi moglo objasniti i zašto čak ni Hubble ne uspijeva uočiti galaktike oko nekih kvazara: možda je riječ o supermasivnim crnim jamama koje su opisanim mehanizmom već napustile matične galaktike. Kada se materijal u akrecijskom disku kojega crna jama odnosi sobom potroši, kvazar će zgasnuti... osim ukoliko ne naiđe na neki drugi izvor kozmičkog plina i prašine.

U ovom su istraživanju osim Hubble uporabljeni i NASA-in Rendgenski opservatorij Chandra i ESO/NSF-in radioteleskop ALMA.

Gornja slika je Hubbleova fotografija 3C 186 (bijela strelica) i galaktike u kojoj se nalazi (plava crtkana elipsa) . Kvazar je očigledno odmaknut od središta galaktike. (NASA, ESA i M. Chiaberge (STScI i JHU))

* Svjetlost iz toga objekta je putovala do nas 8 milijardi godina.

** Gravitacijske valove stvaraju svi objekti koji kruže jedan oko drugog, ali je emisija jača – i lakše opaziva – ako su oni masivni i zbijeni, poput neutronskih zvijezda ili crnih jama.

*** U našim vremenskim okvirima.


AstroMosor Pridružite nam se!