Czarna dziura‑wulkan: „odrodzony” potwór po 100 mln lat ciszy

Astronomowie odkryli galaktykę, w której supermasywna czarna dziura obudziła się po około 100 milionach lat spokoju i znów wystrzeliła potężne strumień plazmy – niczym kosmiczny wulkan wracający do erupcji po długim uśpieniu. To jedno z najbardziej obrazowych jak dotąd ujęć tzw. epizodycznej aktywności AGN, pokazujące, że galaktyczne centra mogą uruchamiać się i wyłączać wielokrotnie w czasie życia Wszechświata.

Zdjęcie J1007+3540 wykonane przez LOFAR DR2 nałożone na obraz optyczny uzyskany przez Pan-STARRS ukazuje zwarty, jasny wewnętrzny dżet, co wskazuje na ponowne przebudzenie się „uśpionej” supermasywnej czarnej dziury w sercu gigantycznej radiogalaktyki.
Źródło: LOFAR/Pan-STARRS/S. Kumari i in. Rodzaj licencji: Uznanie autorstwa (CC BY 4.0)

Kosmiczny wulkan J1007+3540

Badana galaktyka, oznaczona J1007+3540, to gigantyczna radiogalaktyka zanurzona w masywnej gromadzie galaktyk. Jej centrum skrywa supermasywną czarną dziurę, która w przeszłości produkowała rozległe, już dziś wyblakłe i zniekształcone płaty radiowe – ślad dawnej, potężnej aktywności dżetów.

Nowe, bardzo czułe obserwacje radiowe pokazały jednak coś jeszcze: świeży, kompaktowy, jasny wewnętrzny dżet, schowany wewnątrz starego kokonu reliktowej plazmy. To właśnie ta warstwowa struktura – młode jądro w starych płatach – zdradza, że centralny silnik galaktyki ponownie się włączył po długim okresie wyciszenia.

Jak to zobaczono? LOFAR i uGMRT

Odkrycia dokonano przy użyciu dwóch czułych interferometrów radiowych: europejskiego LOFAR (Low Frequency Array) oraz indyjskiego uGMRT (upgraded Giant Metrewave Radio Telescope). LOFAR, działający na bardzo niskich częstotliwościach, jest szczególnie dobry w wykrywaniu starej, zmęczonej plazmy, której elektrony utraciły już sporą część energii.

Na obrazach radiowych widać:

kompaktowy, jasny wewnętrzny strumień – znak właśnie wznowionej aktywności,
otaczający go, rozległy, blady kokon starych płatów – pozostałość po wcześniejszym cyklu dżetów,
wydłużony, słaby ogon emisji na jedną stronę – plazmę rozciąganą przez ruch galaktyki w gęstym ośrodku gromady.

Dodatkowo uGMRT pokazał obszar o wyjątkowo stromym widmie radiowym, gdzie cząstki są ekstremalnie stare i utraciły energię – co potwierdza, że środowisko gromady silnie kompresuje i postarza plazmę radiową.

Co to jest epizodyczny AGN?

Galaktyki z aktywnymi jądrami (AGN) nie świecą na pełnych obrotach przez cały czas. Zasilają je dyski akrecyjne wokół supermasywnych czarnych dziur, które potrzebują materii – gazu i pyłu – aby się nakarmić. Kiedy świeży gaz napływa do centrum galaktyki (np. wskutek zderzeń czy przepływów w gromadzie), AGN rozbłyska i może uruchomić dżety; gdy paliwo się kończy, aktywność stopniowo zanika.

W przypadku J1007+3540 widzimy wyraźnie co najmniej dwa takie cykle:

stary epizod – dziś widoczny jako rozległe, zblakłe płaty radiowe,
nowy epizod – świeży, jasny dżet w środku, powiązany z ponownym uruchomieniem się centralnego silnika.

To klasyczny znak tzw. epizodycznego AGN, w którym czarna dziura wielokrotnie włącza i wyłącza strumienie na kosmicznych skalach czasu.

Dżety kontra gromada galaktyk

Galaktyka J1007+3540 nie żyje w próżni – jest osadzona w masywnej gromadzie galaktyk, której gorący gaz wywiera silne ciśnienie na wypływającą plazmę. Obserwacje pokazują, że zewnętrzne płaty są zdeformowane i ściśnięte przez to środowisko, a ich widmo jest bardzo strome, co oznacza, że cząstki od dawna tracą energię bez dodatkowego zasilania ze strony nowych zastrzyków plazmy.

Długi, słaby ogon emisji radiowej, rozciągający się w jednym kierunku, sugeruje, że galaktyka porusza się w gromadzie, zostawiając za sobą smugę namagnesowanej plazmy niczym dym ciągnięty za pędzącym pociągiem. Jednocześnie nowe strumienie zderzają się z już istniejącą, starą bańką, co prowadzi do skomplikowanej, wielowarstwowej struktury.

Dlaczego to ważne dla astrofizyki?

Takie obiekty są doskonałym laboratorium do badania sprzężenia zwrotnego AGN – tego, jak czarne dziury ogrzewają i mieszają gaz w gromadach galaktyk. Dżety przenoszą energię na odległości setek tysięcy czy milionów lat świetlnych, mogąc hamować chłodzenie gazu i powstawanie nowych gwiazd w galaktykach gromady.

J1007+3540 pokazuje, że to sprzężenie zwrotne nie jest procesem ciągłym, ale raczej serią uderzeń rozłożonych w czasie – coś jak wielokrotne erupcje wulkanu, które za każdym razem zmieniają krajobraz. Zrozumienie, jak często i jak długo trwają takie epizody, jest kluczowe do wyjaśnienia, dlaczego wiele masywnych galaktyk jest dziś martwych gwiazdotwórczo – ich gaz został wielokrotnie podgrzany i rozproszony przez aktywność czarnych dziur.

Co dalej?

Autorzy podkreślają, że J1007+3540 jest jednym z najbardziej spektakularnych przykładów odrodzonego AGN, ale z pewnością nie jedynym. Coraz czulsze przeglądy nieba w radiu (LOFAR, uGMRT, a w przyszłości SKA) powinny ujawnić całą populację galaktyk z wielokrotnymi epizodami dżetów o różnym wieku.

Analiza takich obiektów pozwoli zbudować statystyczny obraz tego, jak często supermasywne czarne dziury zapalają się ponownie, jak długo trwają przerwy i jaką całkowitą energię wstrzykują w swoje otoczenie w trakcie życia galaktyki. To jedna z kluczowych cegiełek w szerszej układance ewolucji struktur kosmicznych.

Główne źródła naukowe

Opracowanie: Agnieszka Nowak