Το Chandra αποκαλύπτει πως ένας πίδακας μιας μαύρης οπής αναβλύζει ενέργεια

Από σελίδα της NASA, 3 Οκτωβρίου 2002

Για πρώτη φορά, οι αστρονόμοι έχουν παρακολουθήσει τον κύκλο ζωής, σε ένα από τα ισχυρότερα γεγονότα της φύσης, των πιδάκων, που αναβλύζουν ενέργεια με τη μορφή ακτινοβολίας, οι οποίοι προέρχονται από μια μαύρη οπή. Σε μια σειρά εικόνων από το διαστημικό παρατηρητήριο ακτίνων-X Chandra της NASA, αποκαλύφθηκε εκρέουσα ακτινοβολία, που ταξίδευε με μεγάλη ταχύτητα για αρκετά έτη πριν επιβραδυνθεί από το διαστρικό αέριο και εξασθενίσει σε μεγάλη απόσταση.

Οι πίδακες προήλθαν από μια αστρική μαύρη οπή, ένα συμπαγές αντικείμενο στο Γαλαξία μας που δημιουργήθηκε από το θάνατο ενός ογκώδους αστεριού.

Οι τετραετείς παρατηρήσεις αποκαλύπτουν νέες ενδείξεις για το πώς μια αστρική μαύρη οπή μετατρέπει την ύλη σε ρεύματα ενέργειας, που εξαπολύονται με μια ισχυρή λάμψη, και το πώς αυτοί οι πίδακες αλληλεπιδρούν στο διαστρικό χώρο. Οι μελέτες που προέρχονται από τα στοιχεία προτείνουν πώς αυτή η διαδικασία είναι παρόμοια με τα γεγονότα που συμβαίνουν σε μια πολύ μεγαλύτερη χρονική κλίμακα γύρω από τις κολοσσιαίες υπερμεγέθεις μαύρες οπές που βρίσκονται συνήθως στα κέντρα μερικών γαλαξιών.

Οι μαύρες οπές δεν μπορούν να φανούν, επειδή ακόμα και το φως δεν μπορεί να δραπετεύσει από τον βαρυτικό εναγκαλισμό τους. Αλλά οι αστρονόμοι συμπεραίνουν την ύπαρξή τους παρατηρώντας τις κινήσεις των αστεριών, του αερίου και της σκόνης κοντά τους ή με την παρατήρηση ακραίων φαινομένων εξόδου της ακτινοβολίας.

Όταν οι μαύρες οπές προσελκύουν την ύλη, δεν την 'καταπίνουν' όλη. Στο στάδιο της επιτάχυνσης του υλικού, με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, η μαύρη οπή αφήνει να ξεφύγει προς τα έξω, κάποια ποσότητα από την εισερχόμενη ύλη, σε δύο αντίθετες κατευθύνσεις κατά μήκος του άξονα περιστροφής της.

Αυτοί οι πίδακες υψηλής ενέργειας μπορούν να παρατηρηθούν λόγω των ισχυρών εκπομπών τους από ραδιοφωνικά μήκη κύματος έως στις ακτίνες-X.

Εν μέρει επειδή η αστρονομία των ακτίνων X είναι ακόμα μια νέα ερευνητική περιοχή, κανένας πίδακας μαύρης οπής δεν έχει ποτέ παρατηρηθεί από τη γέννηση της έως το τέλος του. Στην πραγματικότητα, οι αστρονόμοι έχουν αναρωτηθεί εάν οι πίδακες ποτέ τελειώνουν, όπως μας η θεωρία ότι πρέπει να γίνεται.

Όμως το 1998, ο Εξερευνητής των Ακτίνων X Rossi της NASA, επισήμανε πίδακες να αναδύονται από ένα δυαδικό σύστημα αστεριών που ονομάζεται XTE J1550-564, το οποίο είναι περίπου 17.000 έτη φωτός από τη Γη. Αυτό το σύστημα των δύο αστέρων αποτελείται από μια μαύρη οπή που αναρροφεί την ύλη από ένα αστέρι συνοδό που βρίσκεται σε τροχιά, όπως πιστεύουν οι αστρονόμοι.

Οι παρατηρήσεις πάρθηκαν δύο έτη αργότερα με το παρατηρητήριο Chandra των ακτίνων X της NASA και ένα ραδιοπαρατηρητήριο της Αυστραλίας.

Δεξιά: Οι πίδακες από το σύστημα XTE J1550-564 όπως φαίνονται σε τρεις διαφορετικές περιόδους  

"Δεδομένου ότι οι πίδακες της ακτινοβολίας προήλθαν από μια αστρική μαύρη οπή στο Γαλαξία μας, παρατηρήσαμε, σε λίγα μόνο έτη, καταστάσεις που θα χρειάζονταν χιλιάδες έτη για να συμβούν γύρω από μια υπερμεγέθη μαύρη οπή σε έναν απόμακρο γαλαξία," τόνισε η Stephane Corbel του VII Πανεπιστημίου του Παρισιού, επικεφαλής συντάκτρια της ανακοίνωσης στο περιοδικό Science.

 Οι αστρονόμοι έχουν χρησιμοποιήσει το Chandra και γήινα ραδιοτηλεσκόπια στην Αυστραλία για να παρατηρήσουν δύο πίδακες  σωματιδίων υψηλής ενέργειας που εκπέμπονται μετά από ένα ξέσπασμα, που για πρώτη φορά ανιχνεύθηκαν  το 1998 από τον εξερευνητή των ακτίνων-X Rossi Timing Explorer της NASA, από το διπλό αστρικό σύστημα XTE J1550- 564.

Επειδή το σύστημα XTE J1550-564 εκπέμπει αυτούς τους ανιχνεύσιμους πίδακες, καλείται μικροκβάζαρ, γιατί η η συμπεριφορά του μιμείται τους γαλαξίες τους αποκαλούμενους κβάζαρ, που είναι από τα πιο απόμακρα αντικείμενα του Σύμπαντος και τα οποία μπορούν να περιέχουν μαύρες οπές με μάζες εκατομμυρίων ή ακόμα και δισεκατομμυρίων αστεριών.

Οι πίδακες των ακτίνων X, που απαιτούν μια συνεχή πηγή ενέργειας τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ για να παραμείνουν φωτεινά, παρατηρήθηκαν όταν ταξίδευαν με ταχύτητα περίπου με τη μισή ταχύτητα του φωτός (περίπου 150.000 km/sec). Τέσσερα έτη αργότερα, απέχοντας περισσότερο από τρία έτη φωτός, επιβραδύνθηκαν και εξασθένισαν.

"Η εκτίναξη των πιδάκων από τις αστρικές και υπερμεγέθεις μαύρες οπές είναι ένα κοινό περιστατικό στο Σύμπαν, έτσι είναι εξαιρετικά σημαντικό να γίνει κατανοητή αυτή η διαδικασία", είπε ο John Tomsick του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο. Αυτός είναι ο συντάκτης ενός άρθρου στο περιοδικό Astrophysical Journal, που σχεδιάζεται να δημοσιευτεί τον Ιανουαρίου του 2003 και που περιγράφει την έρευνα. Και συνέχισε "Για πρώτη φορά, έχουμε παρατηρήσει ένα πίδακα από την αρχική έκρηξη έως ότου επιβράδυνε και εξασθένισε".

Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι ο ένας πίδακας, ο ανατολικός, κινείται κατά μήκος μιας γραμμής που στρέφεται προς τη Γη, ενώ ο δυτικός πίδακας στρέφεται μακριά από τη Γη. Αυτή η ευθυγράμμιση εξηγεί γιατί ο ανατολικός πίδακας εμφανίζεται να ταξιδεύει μακρύτερα από τη μαύρη οπή από τον δυτικό. Εντούτοις, μυστηριωδώς σε αυτήν την ευθυγράμμιση, ο ανατολικός πίδακας πρέπει να είναι φωτεινότερος από το  δυτικό, ενώ ο δυτικός πίδακας ήταν, αντιθέτως, στην πραγματικότητα τρεις φορές φωτεινότερος.

"Αυτό το γεγονός είναι ένας γρίφος. Το απλό μοντέλο για τους πίδακες δεν εξηγεί αυτό που εμείς βλέπουμε", τονίζει ο Phil Kaaret του Σμισθονιακού Κέντρου για την Αστροφυσική του Χάρβαρντ στο Κέιμπριτζ, της Μασαχουσέτης, και ο κύριος συντάκτης ενός άλλου επερχόμενου αστροφυσικού άρθρου στο ίδιο περιοδικό για το διπλό σύστημα XTE J1550-564.

"Είτε η μαύρη οπή μπορεί κάπως να τροφοδοτείται με περισσότερη ενέργεια προς το δυτικό πίδακα, ή εκείνος ο πίδακας έχει κινηθεί σε ένα πυκνό νέφος", είπε. Καθώς ο πίδακας κινιόταν διαμέσου του διαστρικού αερίου, η αντίσταση του αερίου την επιβραδύνει, όπως η αντίσταση του αέρα επιβραδύνει τα κινούμενα αντικείμενα στη Γη. Αν και όλοι πίδακες θεωρούνται να επιβραδύνονται κατ' αυτό τον τρόπο, οι παρατηρήσεις του διπλού αστρικού συστήματος XTE J1550-564 χαρακτηρίζουν την πρώτη φορά που πίδακες έχουν συλληφθεί στην πράξη της επιβράδυνσης.

"Αλλά αυτή είναι η πρώτη φορά που έχουμε δει πραγματικά ένα πίδακα", αναφέρει ο Philip Kaaret. Ο Philip Kaaret λέει ότι οι πίδακες παράγουν πιθανώς  κύματα κλονισμού συγγενή με εκείνα ενός υπερηχητικού αεροπλάνου. Οι κλονισμοί παίρνουν ενέργεια από την κίνηση των πιδάκων, που μετατρέπουν την ύλη σε σωματίδια υψηλής ενέργειας, έτσι ώστε καθιστούν αυτό το φαινόμενο ορατό στις ακτίνες X.

Η αριστερή εικόνα, είναι μια καλλιτεχνική απόδοση ενός δυαδικού συστήματος αστέρα και μαύρης οπής, στο οποίο υλικό από το άστρο, πέφτει μέσα στην μαύρη οπή, αφού περιστραφεί πρώτα γύρω από αυτήν. Έτσι παράγονται δύο πίδακες ενέργειας, που εκτινάσσονται προς τα έξω και κατά μήκος του άξονα περιστροφής της μαύρης οπής.

Η παρατηρηθείσα επιβράδυνση υπογραμμίζει την αξία των μικρών, αστρικών μαύρων οπών στο Γαλαξία μας για τη μελέτη παρόμοιων διαδικασιών, που εμφανίζονται στα απόμακρα κβάζαρ και τους ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες. Το σύστημα XTE J1550-564, που είναι περίπου 17.000 έτη φωτός από τη Γη, παρατηρήθηκε με το προηγμένο φασματόμετρο απεικόνισης CCD του Chandra και τα όργανα High Energy Transmission Grating.

Ακριβώς μεγαλύτερα μέρη

Ο Kim Weaver, ένας αστροφυσικός στο Διαστημικό Κέντρο Πτήσεων Goddard της NASA, είπε ότι οι μαύρες οπές μπορούν να θεωρηθούν ως μηχανές που μετατρέπουν την ύλη σε ενέργεια. Οι βρεφικές μαύρες οπές και η υπερμεγέθης είναι παρόμοιες.

"Απλώς διαφέρουν στο μέγεθος", λέει ο Weaver, ο οποίος δεν εμπλάκηκε στα νέα συμπεράσματα. "Αυτό το αποτέλεσμα είναι απίστευτα συναρπαστικό".

Ο Weaver λέει ότι η περισσότερη από την ενέργεια που εξέρχεται από μια μαύρη οπή περιέχεται στους πίδακες. Με μια υπερμεγέθη μαύρη οπή, ο πίδακας μπορεί να είναι δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερος απ' ό,τι με μια αστρική μαύρη οπή, και θα χρειάζονταν ενδεχομένως εκατομμύρια ετών για να παρατηρηθεί ένας μεγαλύτερος πίδακας πέρα από τη διάρκεια ζωής του.

Η φυσική των πιδάκων, όπως εκείνοι από το δυαδικό σύστημα XTE J1550-564 -- εάν μπορεί να γίνει κατανοητό -- θα μπορούσε να εφαρμοστεί στις υπερμεγέθεις μαύρες οπές, όπως τόνισε ο Weaver. Πρόσθεσε δε ότι οι πίδακες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως δοκιμασίες για ότι συμβαίνουν πραγματικά στο εσωτερικό μιας μαύρης οπής και για να την πλησιάσουν.

Ένας άλλος γρίφος είναι με ποιό τρόπο προωθούνται αρχικά οι πίδακες. Όπως τόνισε η Corbel φαίνεται αυτό να έχει σχέση με το μαγνητικό πεδίο της μαύρης οπής, αλλά ακόμη δεν είναι ξεκάθαρο.

Για να μελετήσει αυτό το φαινόμενο, μια άλλη διεθνής ομάδα αστρονόμων έχει συνδέσει επιτυχώς μαζί τα ραδιοτηλεσκόπια στις ΗΠΑ, την Ισπανία, τη Φινλανδία και τη Χιλή για να φτιάξει ένα γιγαντιαίο ραδιοτηλεσκόπιο στο μέγεθος της Γης. Το όραμά της ομάδας είναι να είναι το νέο ραδιοτηλεσκόπιο 3000 φορές πιο ευαίσθητο ακόμη και από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble.

Αυτήν την περίοδο χρησιμοποιούν  το σουπερ-σκόπιο όπως το ονομάζουν για να εντοπίσουν τις ίδιες καρδιές δύο ενεργών γαλαξιών, προκειμένου να μελετηθεί πώς  δημιουργούνται οι πίδακες.

Τέλος, τα ραδιοστοιχεία που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτήν την μελέτη λήφθηκαν από τη Συμπαγή Σειρά Τηλεσκοπίων της Αυστραλίας. Η NASA στο Χούντσβιλ, διαχειρίζεται το πρόγραμμα Chandra για το Γραφείο της Διαστημικής Επιστήμης στην Ουάσιγκτον.