6 Minutės
Astronomų komanda identifikavo supermasyvinę juodąją skylę, kuri juda pakankamai greitai, kad paliktų savo gimtąją galaktiką. Kataloguota kaip RBH-1, ši objektas atitinka ilgai trunkančias teorines prognozes, kad masyviausios juodosios skylės gali būti išmestos po dramatiškų galaktikų sąveikų. Aptikimas apima plataus spektro stebėjimus ir dinaminę analizę, leidžiančią susieti greitį, masę ir aplinkos savybes su modeliais, prognozuojančiais išmetimus per gravitacinių bangų sukeliamą trauką arba per daugiakūnių santykių scenarijus.
How a supermassive black hole can be flung free
Teoretikai dešimtmečius siūlė dvi pagrindines galimybes, kaip supermasyvinė juodoji skylė (SMBH) gali būti išstumta iš savo galaktikos: sudėtingas trijų kūnų gravitacinių sąveikų mechanizmas arba atrebimas, susidarantis tada, kai dvi SMBH susilieja ir asimetriškai išskiria gravitacines bangas. Naujausi stebėjimai teikia pirmenybę antrajam scenarijui. Kai susilieja dvi galaktikos, jų centrinės juodosios skylės ilgainiui gali koalescuotis. Jei susidariusi vienintelė skylė išspinduliuoja gravitacines bangas stipriau vienu kryptimi negu kita, impulso išsaugojimo dėsnis suteikia liekanai didelį smūgį — šis reiškinys vadinamas gravitacinių bangų atstūmimu arba recoil.
Konkrečiai, gravitačinių bangų recoil gali suteikti liekanai impulsą, kuris, priklausomai nuo masių santykio, sukimosi fazės ir orientacijos, pasiekia nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių kilometrų per sekundę pagal daugelį teorinių skaičiavimų. Tokie greičiai gali viršyti tipinius mažų ir vidutinių galaktikų pabėgimo greičius, todėl supermasyvinė juodoji skylė gali tapti „pabėgusia“ arba „klajojančia“ objektoje, palikdama savo žvaigždžių sankaupas ir dujų diską. Šis procesas taip pat gali sukelti akivaizdžius pėdsakus, pavyzdžiui, poslinkį tarp centrinio aktyvaus branduolio ir galaktikos žvaigždžių centro, ryškų judesį astronominiuose duomenyse arba šokinius priekinio judesio išplėtrą, kuriuos aptinka X ir radijo stebėjimai.
Alternatyvus mechanizmas yra trijų kūnų arba multi-body „slingas“: kai galaktikoje ar sąveikaujančiose sistemoje susidaro trijulė juodųjų skylių, sudėtingos gravitacinės sąveikos gali išmesti vieną iš jų į aukštą greitį. Tokios sąveikos yra chaotiškos ir jų rezultatai priklauso nuo individualių trajektorijų bei masių santykių. Visgi, esant konkrečioms prielaidoms, dvišalė jungtis (binary merger) su asimetriška gravitacinių bangų emisija dažnai laikoma patikimiausiu paaiškinimu didžiausiems prognozuojamiems išmetimo greičiams.
Evidence pointing to a merged pair
Remdamiesi patikslintais RBH-1 greičio matavimais ir žvaigždžių sistemos, kurią ši skylė paliko, mase, tyrėjai daro išvadą, kad objekto elgsena geriau dera su sujungtų juodųjų skylių recoil scenarijumi, o ne trijų kūnų „slingo“ mechanizmu. Išmatuotas greitis ir palyginti lengva tėvinė galaktika sutampa su modeliais, kurie prognozuoja, kiek toli ir kokiu greičiu recoiling SMBH gali nukeliauti po to, kai jų šeimininkės galaktikos susijungia.
Observaciniai indikatoriai apima kelis nepriklausomus duomenų rinkinius: spektrinius poslinkius, rodančius didelį linijų posvyrį ar poslinkį palyginti su galaktikos žvaigždžių sistema; erdvinius poslinkius tarp intensyviausio rentgeno ar optinio šaltinio ir galaktikos fotocentro; bei aplinkos pokyčius, kurie atitinka numatytas dujų trūkumus arba šoko priekinio pasireiškimo požymius, kuomet RBH-1 praeina per retą aplinkinę terpę. Šiuos požymius mokslininkai palygino su numeriniais modeliais ir Monte Karlo simuliacijomis, kad įvertintų tikimybę, jog stebimas judesys kilo dėl gravitacinių bangų sukeltos išmetimo jėgos.
Tyrimo publikacijoje objektas pavadintas RBH-1 ir pristatomas kaip pirmasis patvirtintas „pabėgusios“ supermasyvinės juodosios skylės pavyzdys. Jei šis vertinimas išliks tvirtas po papildomų stebėjimų ir nepriklausomų patikrinimų, pastebėjimas suteiks tiesioginį empirinius duomenis apie tai, kas buvo numatyta maždaug prieš 50 metų: kad SMBH gali pabėgti iš savo šeimininkių galaktikų per gravitacinių bangų recoil arba per smurtines daugianarių sąveikas.
Why this matters
Patvirtinus recoiling SMBH stebėjimą, tai turės kelias svarbias mokslo implikacijas. Pirma, tai papildomai patikrina bendrosios reliatyvumo prognozes stiprių laukų režime: juodųjų skylių susijungimai ir su tuo susijusios gravitacinės bangos yra viena pagrindinių zonų, kur reliatyvumo efektai yra itin ryškūs. Antra, tai suteikia apribojimus juodųjų skylių susijungimų dinamikai ir gravitacinių bangų emisijos parametrams — ypač sukimosi kampų, masių santykių ir bangų fazės įtakai liekanos rezultatui.
Trečia, šis reiškinys turi reikšmingų pasekmių galaktikų evoliucijai: jei centrinė SMBH gali būti prarasta, tai keičia kaip centralinis branduolys auga, kaip formuojasi galaktikos bulgas ir kaip veikia grįžtamoji jėga tarp aktyvaus branduolio (AGN) ir jo aplinkos. Pavyzdžiui, be centrinės juodosios skylės kai kurios galaktikos gali patirti kitokį žvaigždžių formavimo istorijos bangavimą, o jų dinamika branduolyje gali tapti labiau nestabili. Galiausiai, dažnumas, kuriuo tokios išmetimo epizodai vyksta Visatoje, turi įtakos ir juodųjų skylių masės pasiskirstymui bei galimai retai pastebimų „klajojančių“ SMBH populiacijai.
Ateities apžvalgos ir gravitacinių bangų observatorijos — ypač Žemės ir kosmoso pagrindu veiksiančios radijo, optinės, rentgeno ir interferometrinės platformos bei būsimoji erdvinė detektorių grandinė LISA — gali aptikti daugiau tokių objektų arba tiesiogiai užfiksuoti SMBH susijungimus iš anksto. Tokie duomenys leistų statistiškai nustatyti, kiek dažnai gravitacinių bangų recoil įvyksta ir kokiomis aplinkybėmis, taip pat leistų daryti strogesnius ryšius tarp stebimų atvejų ir numeriniu būdu prognozuotų scenarijų.
Nors tyrėjų analizė linksta prie dviejų kūnų susijungimo sukelto recoil aiškinimo, jie pabrėžia, kad būtini tolesni stebėjimai — įskaitant gilesnę optinę ir infraraudonųjų spindulių vaizdų analizę, aukštos kokybės spektroskopiją įvairiame elektromagnetiniame diapazone, taip pat pažangią skaitinę panašumą su simuliacijomis. Tokie duomenys tiksliau apibrėš RBH-1 greitį, trajektoriją ir aplinką, leis įvertinti, kiek laiko praėjo nuo galimo susijungimo, ir labiau užtikrintai paneigti alternatyvias interpretacijas, pavyzdžiui, netikėtą krūvį dėl dinaminių susidūrimų ar projekcinius efektus.
Techninės pastabos: norint tvirtai nustatyti recoiling SMBH, mokslininkams dažnai reikia kombinacijos stebėjimų: 1) spektrinio poslinkio tarp emisinių linijų, susijusių su aktyviu branduoliu, ir žvaigždžių absorbcinių linijų; 2) erdvinio atstumo tarp optinio/rentgeno šaltinio ir galaktikos fotocentro; 3) aplinkinių dujų ir žvaigždžių dinaminės reakcijos žymenys; 4) radijo emisijos, rodančios judantį AGN, ir 5) skaitinių simuliacijų, atkuriamų su įvairiais pradinių sąlygų rinkiniais. Tokia keliabriaunė patvirtinimo procedūra sumažina neteisingų interpretacijų riziką ir padidina patikimumą, kai tvirtinama, kad juodoji skylė išties paliko savo šeimininkę.
Praktinės stebėjimo priemonės, kurios bus ypač naudingos RBH-1 atveju, apima integralios lauko spektroskopiją (IFU), leidžiančią žemėlapiuoti žvaigždžių ir dujų judėjimą aplink galaktikos centrą; aukštos raiškos HST/James Webb tipo optiniai ir infraraudonieji vaizdai, kuriais galima nustatyti erdvinį poslinkį; ir gilūs rentgeno duomenys, kurie gali atskleisti centrinius akrecinius diskus ar koroninius regionus, susietus su judančiu AGN. Be to, radijo interferometrija (VLBI tipo) gali stebėti kompaktuotus branduolio komponentus ir jų judėjimą laike.
Galiausiai, RBH-1 atvejis primena mokslinės metodu svarbą: prieštaringi scenarijai — trijų kūnų išmetimas, projekciniai efektai ar kiti dinaminiai reiškiniai — turi būti sistemingai atmesti arba įvertinti, prieš priimant išvadą apie gravitačinių bangų recoil. Tokia patikima analizė padidina atradimo vertę, suteikia naujų eksperimentinių testų teorinėms prognozėms ir nukreipia būsimus stebėjimus, pasiruošusius aptikti panašius reiškinius Visatoje.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą