Λύθηκε μυστήριο 50 ετών: Εντοπίστηκε ο «χαμένος άνεμος» της μαύρης τρύπας του Γαλαξία μας

Σύνοψη

• Αστροφυσικοί του Northwestern University εντόπισαν για πρώτη φορά αποδείξεις για ισχυρό «άνεμο» (εκροή υλικού) που πηγάζει από την υπερμεγέθη μαύρη τρύπα του Γαλαξία μας, τον Τοξότη Α* (Sgr A*).
• Το εύρημα λύνει ένα επιστημονικό πρόβλημα μισού αιώνα, επιβεβαιώνοντας ότι ο Sgr A* ακολουθεί τους αυστηρούς κανόνες της θεωρητικής φυσικής και παράγει ανέμους απορροφώντας ύλη.
• Η ανακάλυψη προήλθε από ανάλυση ραδιοφωνικών δεδομένων 5 ετών από το τηλεσκόπιο ALMA, η οποία αποκάλυψε μια κωνική κοιλότητα μήκους 1 παρσέκ, απόλυτα κενή από ψυχρό αέριο.
• Δεδομένα ακτίνων Χ από το αστεροσκοπείο Chandra επιβεβαίωσαν τα ευρήματα, αποδεικνύοντας ότι ο άνεμος παραμένει ενεργός για τουλάχιστον 20.000 χρόνια παρά την ήσυχη φάση της μαύρης τρύπας.

Σύμφωνα με τους κανόνες της θεωρητικής φυσικής, καθώς η ύλη έλκεται προς τον ορίζοντα γεγονότων μιας μαύρης τρύπας, επιταχύνεται κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αυτή η διαδικασία παράγει τεράστια πίεση και ενέργεια, προκαλώντας την εκτόξευση μέρους του υλικού με τη μορφή πιδάκων (jets) ή ανέμων (winds). Οι αστροφυσικοί το προέβλεπαν για τον Τοξότη Α* ήδη από το 1971, ωστόσο η απουσία ευρημάτων τον καθιστούσε μέχρι σήμερα μια ανεξήγητη εξαίρεση στην εξέλιξη των γαλαξιών.

Μέχρι πρόσφατα, καμία παρατήρηση δεν είχε καταφέρει να αποδείξει την ύπαρξη αυτής της εκροής υλικού. Το πρόβλημα οφείλεται κυρίως στη θέση του πλανήτη μας: για να παρατηρήσουμε τον Τοξότη Α*, τα τηλεσκόπια πρέπει να διαπεράσουν το επίπεδο του Γαλαξία μας, το οποίο είναι γεμάτο από πυκνά νέφη αερίων, σκόνη και ιονισμένες δομές. Η παρεμβολή αυτού του «θορύβου» καθιστούσε αδύνατη την ανίχνευση του ανέμου. Ερευνητές του Northwestern University κατάφεραν να προσπεράσουν αυτό το εμπόδιο αξιοποιώντας προηγμένα εργαλεία και εξειδικευμένες μεθόδους χαρτογράφησης.

Η ανάλυση δεδομένων του τηλεσκοπίου ALMA

Για να παρακάμψουν την οπτική παρεμβολή, οι ερευνητές βασίστηκαν στο Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), τη συστοιχία ραδιοτηλεσκοπίων που βρίσκεται στην έρημο Ατακάμα της Χιλής. Το ALMA εντοπίζει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε μήκη κύματος χιλιοστού και υποχιλιοστού, καθιστώντας το ιδανικό για την παρατήρηση ψυχρού μοριακού αερίου στο διάστημα.

Η ερευνητική ομάδα συγκέντρωσε και ανέλυσε δεδομένα πέντε ετών, στοχεύοντας στη χαρτογράφηση της δομής του αερίου περιμετρικά της μαύρης τρύπας, σε απόσταση μικρότερη του ενός parsec (περίπου 3,26 έτη φωτός). Το κρίσιμο βήμα της μεθοδολογίας αφορούσε την εφαρμογή μιας αυστηρής τεχνικής βαθμονόμησης, η οποία αφαίρεσε την ισχυρή ραδιοεκπομπή που παράγει η ίδια η μαύρη τρύπα. Απομονώνοντας αυτόν τον κεντρικό «θόρυβο», η τελική εικόνα που προέκυψε ήταν 100 φορές πιο βαθιά και 80 φορές πιο ευκρινής από τους προηγούμενους χάρτες της περιοχής.

Η ανακάλυψη μιας κοσμικής κοιλότητας

Η καθαρή χαρτογράφηση αποκάλυψε ένα χαρακτηριστικό άγνωστο μέχρι σήμερα: μια κωνική κοιλότητα η οποία στερείται πλήρως ψυχρού μοριακού αερίου. Η δομή έχει μήκος σχεδόν ένα παρσέκ και άνοιγμα 45 μοιρών. Στη διαστημική κλίμακα, η ολοκληρωτική απουσία ύλης δεν μπορεί να θεωρηθεί τυχαία. Σύμφωνα με τον Mark Gorski, οτιδήποτε θερμό εκπέμπεται από τη μαύρη τρύπα δεν δύναται να συνυπάρξει με το ψυχρό υλικό. Ο άνεμος είτε θα απωθήσει μηχανικά το αέριο, είτε θα αυξήσει τη θερμοκρασία του, καθιστώντας το μη ανιχνεύσιμο με τις παραμέτρους μέτρησης του ψυχρού αερίου.

Για να διασφαλίσουν ότι ο υπεύθυνος μηχανισμός είναι πράγματι ο άνεμος της μαύρης τρύπας και όχι οι επιμέρους αστρικοί άνεμοι από γειτονικά άστρα, οι επιστήμονες υπολόγισαν με ακρίβεια το ενεργειακό αποτύπωμα. Τα μαθηματικά μοντέλα απέδειξαν ότι η ενέργεια που απαιτείται για να αδειάσει η συγκεκριμένη περιοχή υπερβαίνει κατά πολύ το άθροισμα της ενέργειας όλων των κοντινών άστρων. Η πηγή οδηγεί ευθέως στον Τοξότη Α*, ενώ το σχήμα του κώνου ταυτίζεται απόλυτα με την κατεύθυνση της εκροής, η οποία έχει ως επίκεντρο τη μαύρη τρύπα.

Επιβεβαίωση από τις ακτίνες Χ του Chandra

Ισχυρισμοί αυτού του μεγέθους απαιτούν διασταύρωση με ανεξάρτητες μετρήσεις. Η ομάδα ανέτρεξε σε δεδομένα από το διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων Χ Chandra της NASA, το οποίο είχε καταγράψει εκπομπές υψηλής ενέργειας ακριβώς στην ίδια περιοχή. Η υπέρθεση των ραδιοφωνικών δεδομένων του ALMA με τα δεδομένα ακτίνων Χ του Chandra ταίριαξε τέλεια. Στο ακριβές σημείο απουσίας του ψυχρού αερίου, υπήρχε η υπογραφή καυτού υλικού που εκπέμπει ακτίνες Χ.

Οι αναλύσεις της αλληλεπίδρασης του ανέμου με το ιονισμένο αέριο υποδεικνύουν ότι η εκροή είναι ενεργή για τουλάχιστον 20.000 χρόνια. Ο Τοξότης Α* αποτελεί ένα ξεκάθαρο παράδειγμα μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας που βρίσκεται σε φάση ηρεμίας και πρακτικά «υποσιτίζεται». Η πλειονότητα των μαύρων τρυπών στο σύμπαν περνάει το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου της σε καταστάσεις ύφεσης, προσφέροντας στην επιστημονική κοινότητα ένα σπάνιο μοντέλο κατανόησης για την αδρανή συμπεριφορά αυτών των κοσμικών οντοτήτων, μακριά από τις ακραία ενεργές φάσεις που συνήθως μονοπωλούν τις παρατηρήσεις.