Teleskop James-Webb odsłania ukryte serce niespokojnej galaktyki

Teleskop James-Webb zajrzał przez gęstą zasłonę kosmicznego pyłu do sąsiedniej galaktyki i zobaczył supermasywnego potwora w akcji.

Chodzi o tzw. galaktykę Kompasu, położoną zaledwie 13 milionów lat świetlnych od Ziemi. Dla astronomów to niemal „za rogiem”, a mimo to jej centrum przez lata pozostawało zaskakująco niejasne, zasłonięte przez gaz, pył i blask tysięcy gwiazd.

Galaktyka blisko nas, a wciąż pełna zagadek

Galaktyka Kompasu jest jedną z najbardziej aktywnych galaktyk w naszej kosmicznej okolicy. Tworzy ogromne ilości nowych gwiazd, ma burzliwe centrum i gigantyczną czarną dziurę w samym środku. W dobrych warunkach można ją dostrzec nawet amatorskim teleskopem, choć nie jest to łatwe. Leży niemal na tle dysku Drogi Mlecznej, co z perspektywy Ziemi oznacza zagęszczenie gwiazd, pyłu i zakłóceń.

Tradycyjne obserwatoria naziemne, a nawet legendarne Hubble Space Telescope, miały duży problem z wyłuskaniem tego, co rzeczywiście dzieje się w centrum Kompasu. Jasne gwiazdy i świecąca materia skutecznie maskowały obszar wokół czarnej dziury. W archiwach pozostawały dane pełne śladów promieniowania podczerwonego, które trudno było jednoznacznie zinterpretować.

Przeczytaj również: Brazylijskie mokradła ukryte za Amazonią: cichy gigant magazynuje węgiel

James-Webb rozbija mur pyłu

Tutaj wchodzi do gry teleskop James-Webb (JWST). Umieszczony 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, pracuje w zakresie podczerwieni, co daje mu ogromną przewagę w obserwacjach obiektów zasłoniętych pyłem. Światło o takich długościach fali po prostu łatwiej przez pył przechodzi.

Nowe dane z JWST pokazały, że w centrum galaktyki Kompasu dominuje gorący, pyłowy „pierścień”, który karmi supermasywną czarną dziurę, zamiast być wyrzucany na zewnątrz.

Przez długi czas modele sugerowały, że jasne promieniowanie w pobliżu środka galaktyki pochodzi głównie z materii rozgrzewanej i wyrzucanej przez czarną dziurę. James-Webb zmienił ten obraz o 180 stopni. Okazało się, że ogromna część gorącej materii nie ucieka, lecz spada do środka, tworząc gęsty, pyłowy „pączek” otaczający czarną dziurę.

Przeczytaj również: Astronomowie zaskoczeni tajemniczym sygnałem radiowym co 36 minut

Donut z pyłu wokół czarnej dziury

Astronomowie porównują tę strukturę do donuta: w centrum znajduje się czarna dziura, a wokół niej gęsty torus z pyłu i gazu. Z tego „donuta” materia spływa do środka, tworząc dysk akrecyjny. Można to porównać do wiru w odpływie wanny – woda kręci się, zagęszcza i wpada do otworu. W skali kosmicznej rolę wody odgrywa gaz i pył, a odpływem jest supermasywna czarna dziura.

Gdy materia opada, rozgrzewa się do ogromnych temperatur i zaczyna intensywnie świecić w podczerwieni. To właśnie to promieniowanie tak długo myliło naukowców. Z Ziemi widzimy mieszaninę światła z dysku akrecyjnego, gwiazd galaktyki oraz rozproszonego pyłu. Bez narzędzia tak czułego jak JWST trudno było oddzielić te sygnały.

Przeczytaj również: Ta odmiana jabłek bije rekordy sprzedaży. Co w niej tak kusi?

Interferometr NIRISS jak „okulary przeciwsłoneczne” dla teleskopu

W tym projekcie James-Webb wykorzystał instrument NIRISS pracujący w trybie interferometrycznym. Dla laika można to opisać jak wyjątkowo sprytny filtr, który pozwala wytłumić oślepiające światło i skupić się na drobnych szczegółach w centrum obrazu.

NIRISS w takim trybie rozdziela światło i łączy je w sposób, który redukuje efekty zbyt dużej jasności oraz brzydkie artefakty. Dzięki temu naukowcy uzyskali obraz pozbawiony zakłóceń związanych z prześwietleniem czy zanieczyszczeniem pyłem. Pierwszy raz połączono w ten sposób moc JWST z interferometrią do analizy obiektu znajdującego się poza naszą własną galaktyką.

To premierowe zastosowanie interferometrii NIRISS w obserwacjach pozagalaktycznych otwiera drogę do całej serii podobnych badań w najbliższych latach.

Ile energii skrywa pyłowy pierścień?

Analiza danych pokazała, jak rozkłada się źródło promieniowania w centrum galaktyki Kompasu:

• około 87% zarejestrowanego promieniowania podczerwonego pochodzi z gęstego, pyłowego obłoku otaczającego czarną dziurę, który ją „dokarmia”,

mniej więcej 1% odpowiada za strumienie materii rzeczywiście wyrzucanej przez centralny obiekt,

• pozostałe 12% płynie z większych odległości od środka, z obszarów, których wcześniej nie udało się sensownie wyodrębnić.

Taki rozkład jasno wskazuje, że w tym przypadku centralna czarna dziura nie jest tylko „kosmicznym miotaczem” materii, ale przede wszystkim olbrzymim konsumentem, który efektywnie wciąga w siebie to, co gromadzi się wokół.

Dlaczego akurat galaktyka Kompasu przyciąga tylu badaczy

Kompas należy do tzw. galaktyk aktywnych, w których centrum zachodzą intensywne procesy związane z supermasywną czarną dziurą. Emitują one duże ilości promieniowania w różnych zakresach widma, od fal radiowych aż po promieniowanie rentgenowskie. Dla astrofizyków to idealne poligony do testowania teorii na temat ewolucji galaktyk i roli centralnych czarnych dziur.

Przykład Kompasu pokazuje, jak bardzo mogą nas zmylić obserwacje prowadzone w jednym paśmie. Hubble widział silne promieniowanie w podczerwieni, ale bez możliwości precyzyjnego rozdzielenia źródeł. James-Webb, dzięki większej czułości i innym zakresom długości fali, odsłonił, że główna rola przypada strukturze pyłowej otulającej centrum, a nie materialnym strumieniom wyrzucanym na zewnątrz.

Czarna dziura jako regulator życia galaktyki

Naukowcy podejrzewają, że sposób, w jaki czarna dziura „zjada” materię, bezpośrednio wpływa na tempo narodzin nowych gwiazd w całej galaktyce. Jeżeli emituje dużo energii i silnie podgrzewa otaczający gaz, może go rozpraszać i hamować proces formowania gwiazd. Gdy proces akrecji przebiega nieco spokojniej, gęsty gaz łatwiej może się zapadać i tworzyć kolejne gwiazdy.

W Kompasie widzimy bardzo aktywne centrum i jednocześnie intensywne formowanie gwiazd. To ciekawa kombinacja, bo sugeruje delikatną równowagę między destrukcyjnym wpływem czarnej dziury a rolą „zapłonu” dla nowych struktur gwiazdowych.

Co dalej z badaniami James-Webb w sąsiednich galaktykach

Skoro udało się tak szczegółowo zanalizować relatywnie bliską galaktykę aktywną, astronomowie liczą, że podobne obserwacje obejmą kolejne obiekty w naszej kosmicznej okolicy. James-Webb może z czasem stworzyć całą „kolekcję portretów” centrów galaktyk, pokazując różne typy zachowań supermasywnych czarnych dziur.

Takie dane są szczególnie cenne, gdy zestawi się je z symulacjami komputerowymi. Astrofizycy potrafią już dziś odtwarzać, krok po kroku, jak zachowuje się gaz pod wpływem olbrzymiej grawitacji, jak się rozpędza, jak się nagrzewa i w których momentach część materii jest wyrywany na zewnątrz w formie dżetów.

Jak rozumieć pojęcia: torus, akrecja i promieniowanie podczerwone

W tego typu badaniach często pojawia się kilka terminów, które brzmią obco, ale stoją za nimi dość proste obrazy. Torus to po prostu geometryczny „pączek” lub opona – coś w rodzaju grubego pierścienia. W skali galaktyki oznacza gęstą strukturę z gazu i pyłu, obracającą się wokół centrum.

Akrecja to proces opadania materii na masywny obiekt. W fizyce kosmicznej dotyczy to i gwiazd, i czarnych dziur, a nawet młodych planet pożerających resztki dysku protoplanetarnego. W przypadku galaktyki Kompasu akrecja na czarną dziurę jest na tyle intensywna, że wytwarza bardzo jasne promieniowanie podczerwone.

Podczerwień to zakres promieniowania o nieco większej długości fali niż światło widzialne. Ludzkie oko jej nie widzi, ale rejestrują ją detektory teleskopów kosmicznych. Właśnie w tym paśmie najłatwiej śledzić ogrzany pył i gaz, co czyni z teleskopu James-Webb idealne narzędzie do takich badań.

Dla czytelnika, który kojarzy kosmos głównie z ładnymi zdjęciami, może to brzmieć bardzo teoretycznie. W praktyce mówimy tu o procesach, które na dłuższą metę decydują o tym, jak wyglądają galaktyki, ile mają gwiazd, jak rozkłada się w nich materia i gdzie mogą powstawać kolejne układy planetarne. Każda taka analiza, jak ta wykonana dla galaktyki Kompasu, dokładnie dokłada jedną cegiełkę do większego obrazu tego, jak kształtuje się nasze kosmiczne otoczenie.