Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem dr. Krzysztofa Hryniewicza z Narodowego Centrum Badań Jądrowych opracował nowy model opisujący gorący gaz otaczający supermasywną czarną dziurę w aktywnej galaktyce Mrk 509. Wyniki badań pomagają lepiej zrozumieć strukturę materii w otoczeniu aktywnych jąder galaktyk.

Wyniki opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Astronomy & Astrophysics (Volume 705, Article A119, https://doi.org/10.1051/0004-6361/202554950

Grupa naukowców w składzie: Krzysztof Hryniewicz – Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Agata Różańska, Biswaraj Palit, Rafał Wojaczyński – Centrum Astronomiczne im. Mikołaja Kopernika PAN, Tek Prasad Adhikari – Uniwersytet Nauki i Technologii Chin w Hefei oraz  Matteo Guainazzi – Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), podjęła badania nad aktywnymi galaktykami. To takie, w których centralna supermasywna czarna dziura pochłania ogromne ilości materii. Przepływ opadającej materii ma kształt dysku, przez który przelewa się plazma w tempie około masy słońca na rok. W trakcie tego procesu część gazu nie wpada do czarnej dziury, lecz zostaje wyrzucona z dysku w przestrzeń kosmiczną w formie wiatru napędzanego promieniowaniem. Astronomowie nazywają takie strumienie materii obserwowane w zakresie rentgenowskim „ciepłymi absorberami”.

Te potężne wypływy gazu mogą wpływać na rozwój całych galaktyk – regulować tempo powstawania gwiazd oraz rozprowadzać energię i materię w przestrzeni międzygwiazdowej. Zrozumienie ich budowy i działania jest jednym z ważnych problemów współczesnej astrofizyki.

Naukowcy analizowali dane z kosmicznego teleskopu rentgenowskiego XMM-Newton dotyczące galaktyki Mrk 509 znajdującej się setki milionów lat świetlnych od Ziemi. Wykorzystano bezprecedensowej długości obserwacje aż 900 tysięcy sekund (ponad 10 dni). Uzyskano w ten sposób widma wysokiej rozdzielczości, co pozwoliło bardzo dokładnie zbadać skład i strukturę gazu otaczającego czarną dziurę. 

– Istotą pracy było stworzenie bardziej realistycznego modelu opisującego zachowanie gorącego gazu wokół aktywnej galaktyki i wykorzystanie go do wyjaśnienia wysokiej jakości obserwacji. Dotychczas często zakładano, że obłoki gazu które wywiewane są z dysku akrecyjnego mają gęstość lub są zlepkiem warstw o stałej gęstości. Zaproponowaliśmy bardziej fizyczne podejście – model stałego całkowitego ciśnienia (CTP), w którym wzdłuż obłoku gazu gęstość zmienia się w sposób złożony. Jest to wynik działania zarówno ciśnienia gazu jak i ciśnienia wywołanego silnym promieniowaniem docierającym z gorącej materii najbliższego otoczenia czarnej dziury. Dzięki temu udało się lepiej odtworzyć obserwowane widmo promieniowania rentgenowskiego, czyli charakterystyczny „odcisk palca” gazu widoczny w danych teleskopowych. Widmo zawiera linie absorpcyjne – ślady pozostawiane przez różne pierwiastki chemiczne znajdujące się w gorącym gazie na linii widzenia. Ich analiza pozwala określić temperaturę, gęstość, skład chemiczny oraz prędkość ruchu materii wokół czarnej dziury – wyjaśnia dr Krzysztof Hryniewicz.

Badacze wykazali, że gaz odpowiedzialny za pochłanianie większości światła rentgenowskiego w Mrk 509 znajduje się w centrum galaktyki – około 0,02 parseka od czarnej dziury, czyli w odległości porównywalnej z wewnętrznymi obszarami dysku akrecyjnego, z którego czarna dziura pobiera materię. Wkład naukowców z NCBJ obejmował modelowanie procesów zachodzących w gorącym gazie, analizę danych rentgenowskich oraz interpretację fizycznych właściwości wypływów materii z dysku akrecyjnego.

Praca podejmuje ważny problem naukowy dotyczący wpływu supermasywnych czarnych dziur na ich otoczenie. Choć czarne dziury kojarzą się głównie z pochłanianiem materii, w rzeczywistości mogą również oddziaływać na całe galaktyki poprzez emisję energii i wyrzuty gazu. Badania tego typu pomagają lepiej zrozumieć, w jaki sposób galaktyki rozwijały się przez miliardy lat oraz jak powstawały warunki sprzyjające tworzeniu gwiazd i planet.

Znaczenie tych prac wykracza także poza samą astronomię. Rozwijane przy takich projektach zaawansowane modele komputerowe i metody analizy danych znajdują później zastosowanie m.in. w fizyce plazmy, analizie dużych zbiorów danych czy modelowaniu złożonych procesów fizycznych. Autorzy podkreślają, że nowy model może pomóc w dokładniejszym badaniu aktywnych galaktyk obserwowanych przez przyszłe teleskopy kosmiczne i lepiej wyjaśnić mechanizmy rządzące najbardziej energetycznymi obiektami we Wszechświecie.