Διεθνείς ομάδες αστρονόμων που παρακολουθούν μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα στην καρδιά ενός μακρινού γαλαξία ανίχνευσαν χαρακτηριστικά που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ πριν, χρησιμοποιώντας δεδομένα από αποστολές της NASA και άλλες εγκαταστάσεις.
Τα χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν την εκτόξευση ενός πίδακα πλάσματος που κινείται με σχεδόν το ένα τρίτο της ταχύτητας του φωτός και ασυνήθιστες, γρήγορες διακυμάνσεις ακτίνων Χ που πιθανότατα προκύπτουν κοντά στην άκρη της μαύρης τρύπας.
Η πηγή είναι ο 1ES 1927+654, ένας γαλαξίας που βρίσκεται περίπου 270 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά στον αστερισμό Δράκοντα. Φιλοξενεί μια κεντρική μαύρη τρύπα με μάζα ισοδύναμη με περίπου 1,4 εκατομμύρια Ήλιους.
«Το 2018, η μαύρη τρύπα άρχισε να αλλάζει τις ιδιότητές της ακριβώς μπροστά στα μάτια μας, με μια σημαντική οπτική, υπεριώδη και ακτίνων Χ έκρηξη», δήλωσε η Eileen Meyer, αναπληρώτρια καθηγήτρια στο UMBC (Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ στην κομητεία της Βαλτιμόρης). «Πολλές ομάδες την παρακολουθούν στενά από τότε».
Παρουσίασε τα ευρήματα της ομάδας της στην 245η συνάντηση της Αμερικανικής Αστρονομικής Εταιρείας στο National Harbor του Μέριλαντ. Μια εργασία με επικεφαλής την Meyer που περιγράφει τα ραδιοφωνικά αποτελέσματα δημοσιεύθηκε στις 13 Ιανουαρίου στο The Astrophysical Journal Letters.
Μετά την έκρηξη, η μαύρη τρύπα φάνηκε να επιστρέφει σε μια ήρεμη κατάσταση, με μια παύση της δραστηριότητας για σχεδόν ένα χρόνο. Ωστόσο, μέχρι τον Απρίλιο του 2023, μια ομάδα με επικεφαλής τον Sibasish Laha στο UMBC και στο Κέντρο Διαστημικών Πτήσεων Goddard της NASA στο Greenbelt του Μέριλαντ, είχε παρατηρήσει μια σταθερή, μηνιαία αύξηση των ακτίνων Χ χαμηλής ενέργειας σε μετρήσεις από το Αστεροσκοπείο Neil Gehrels Swift της NASA και το τηλεσκόπιο NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Αυτό το πρόγραμμα παρακολούθησης, το οποίο περιλαμβάνει επίσης παρατηρήσεις από το NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) της NASA και την αποστολή XMM-Newton της ESA (European Space Agency), συνεχίζεται.
Η αύξηση των ακτίνων Χ ώθησε την ομάδα του UMBC να κάνει νέες ραδιοπαρατηρήσεις, οι οποίες έδειξαν ότι μια ισχυρή και εξαιρετικά ασυνήθιστη ραδιοφωτογραφία βρισκόταν σε εξέλιξη. Οι επιστήμονες στη συνέχεια ξεκίνησαν εντατικές παρατηρήσεις χρησιμοποιώντας το VLBA (Very Long Baseline Array) του NRAO (National Radio Astronomy Observatory) και άλλες εγκαταστάσεις. Το VLBA, ένα δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων που εκτείνεται σε όλες τις ΗΠΑ, συνδυάζει σήματα από μεμονωμένες κεραίες για να δημιουργήσει αυτό που ισοδυναμεί με μια ισχυρή, υψηλής ανάλυσης ραδιοκάμερα. Αυτό επιτρέπει στο VLBA να ανιχνεύει χαρακτηριστικά με διάμετρο μικρότερη από ένα έτος φωτός σε απόσταση 1ES 1927+654.
Ραδιοφωνικά δεδομένα από τον Φεβρουάριο, τον Απρίλιο και τον Μάιο του 2024 αποκαλύπτουν αυτό που φαίνεται να είναι πίδακες ιονισμένου αερίου ή πλάσματος, που εκτείνονται εκατέρωθεν της μαύρης τρύπας, με συνολικό μέγεθος περίπου μισό έτος φωτός. Οι αστρονόμοι εδώ και καιρό προβληματίζονται για το γιατί μόνο ένα κλάσμα των γιγάντιων μαύρων τρυπών παράγει ισχυρούς πίδακες πλάσματος, και αυτές οι παρατηρήσεις μπορεί να παρέχουν κρίσιμες ενδείξεις.
«Η εκτόξευση ενός πίδακα μαύρης τρύπας δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ πριν σε πραγματικό χρόνο», σημείωσε ο Meyer. «Πιστεύουμε ότι η εκροή ξεκίνησε νωρίτερα, όταν οι ακτίνες Χ αυξήθηκαν πριν από την ραδιοφωτογραφία, και ο πίδακας αποκλείστηκε από το οπτικό μας πεδίο από θερμό αέριο μέχρι που ξέσπασε στις αρχές του περασμένου έτους».
Μια εργασία που διερευνά αυτή την πιθανότητα, με επικεφαλής τον Laha, βρίσκεται υπό αξιολόγηση στο The Astrophysical Journal. Τόσο ο Meyer όσο και η Megan Masterson, υποψήφια διδάκτορας στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Cambridge, η οποία παρουσίασε επίσης στη συνάντηση, είναι συν-συγγραφείς.
Χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις XMM-Newton, ο Masterson διαπίστωσε ότι η μαύρη τρύπα παρουσίασε εξαιρετικά γρήγορες διακυμάνσεις ακτίνων Χ μεταξύ Ιουλίου 2022 και Μαρτίου 2024. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η φωτεινότητα των ακτίνων Χ αυξανόταν και μειώνονταν επανειλημμένα κατά 10% κάθε λίγα λεπτά. Τέτοιες αλλαγές, που ονομάζονται σχεδόν περιοδικές ταλαντώσεις millihertz, είναι δύσκολο να ανιχνευθούν γύρω από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες και έχουν παρατηρηθεί μόνο σε λίγα συστήματα μέχρι σήμερα.
«Ένας τρόπος για να παραχθούν αυτές οι ταλαντώσεις είναι με ένα αντικείμενο που περιστρέφεται μέσα στον δίσκο συσσώρευσης της μαύρης τρύπας. Σε αυτό το σενάριο, κάθε άνοδος και πτώση των ακτίνων Χ αντιπροσωπεύει έναν τροχιακό κύκλο», είπε ο Masterson.
Εάν οι διακυμάνσεις προκλήθηκαν από μια μάζα σε τροχιά, τότε η περίοδος θα μειωνόταν καθώς το αντικείμενο έπεφτε όλο και πιο κοντά στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, το σημείο χωρίς επιστροφή. Οι μάζες που βρίσκονται σε τροχιά δημιουργούν κυματισμούς στον χωροχρόνο που ονομάζονται βαρυτικά κύματα. Αυτά τα κύματα απορροφούν την τροχιακή ενέργεια, φέρνοντας το αντικείμενο πιο κοντά στη μαύρη τρύπα, αυξάνοντας την ταχύτητά του και μειώνοντας την τροχιακή του περίοδο.
Σε διάστημα δύο ετών, η περίοδος διακύμανσης μειώθηκε από 18 λεπτά σε μόλις 7 — η πρώτη μέτρηση αυτού του είδους γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα. Αν αυτό αντιπροσώπευε ένα αντικείμενο σε τροχιά, τότε τώρα κινούνταν με τη μισή ταχύτητα του φωτός. Τότε συνέβη κάτι απροσδόκητο — η περίοδος διακύμανσης σταθεροποιήθηκε.
«Στην αρχή μας σόκαρε αυτό», εξήγησε ο Masterson. «Αλλά συνειδητοποιήσαμε ότι καθώς το αντικείμενο πλησίαζε τη μαύρη τρύπα, η ισχυρή βαρυτική του έλξη θα μπορούσε να αρχίσει να αφαιρεί ύλη από τον συνοδό αστέρα. Αυτή η απώλεια μάζας θα μπορούσε να αντισταθμίσει την ενέργεια που αφαιρείται από τα βαρυτικά κύματα, σταματώντας την εσωτερική κίνηση του συνοδού αστέρα».
Τι θα μπορούσε λοιπόν να είναι αυτός ο συνοδός αστέρας; Μια μικρή μαύρη τρύπα θα βυθιζόταν κατευθείαν μέσα και ένα κανονικό αστέρι θα διαλυόταν γρήγορα από τις παλιρροιακές δυνάμεις κοντά στη μαύρη τρύπα-τέρας. Αλλά η ομάδα διαπίστωσε ότι ένας λευκός νάνος χαμηλής μάζας – ένα αστρικό υπόλειμμα περίπου τόσο μεγάλο όσο η Γη – θα μπορούσε να παραμείνει άθικτο κοντά στον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, ενώ παράλληλα θα αποβάλλει μέρος της ύλης του. Μια εργασία με επικεφαλής τον Masterson που συνοψίζει αυτά τα αποτελέσματα θα δημοσιευτεί στην έκδοση της 13ης Φεβρουαρίου του περιοδικού Nature.
Αυτό το μοντέλο κάνει μια βασική πρόβλεψη, σημειώνει ο Masterson. Εάν η μαύρη τρύπα έχει έναν λευκό νάνο συνοδό, τα βαρυτικά κύματα που παράγει θα είναι ανιχνεύσιμα από την LISA (Laser Interferometer Space Antenna), μια αποστολή του ESA σε συνεργασία με τη NASA που αναμένεται να εκτοξευθεί την επόμενη δεκαετία.
