OJ287 – układ dwóch supermasywnych czarnych dziur

Mam niusa! Obserwujemy właśnie układ dwóch czarnych dziur, które strzelają w Ziemię elektronami rozpędzonymi do niemal prędkości światła. Strumień elektronów jaśnieje, jedna czarna dziura ma masę miliardów Słońc, a druga orbituje wokół niej i przebija jej dysk akrecyjny swoją precesującą orbitą. Układ w tej chwili jest wystarczająco jasny, że da się mu zrobić zdjęcie teleskopem ~30 cm z miasta. Ten wpis będzie o obiekcie OJ287.

OJ287 na pierwszy rzut oka wygląda jak zwykła gwiazda. Ale po przebadaniu jej spektroskopem nie znajdziemy nic, co będzie przypominało gwiazdę. Stąd się wzięła nazwa dla tego typu obiektów: quasi-star, czyli kwazar. Standardowy kwazar, jaki znajdziecie w każdym katalogu z kwazarami, to złożony obiekt związany z centrum galaktyki aktywnej. Jak pewnie kojarzycie, w centrum galaktyki typowo znajduje się supermasywna czarna dziura. Spokojne galaktyki, jak nasza Droga Mleczna, wokół centralnej czarnej dziury mają dużo pustej przestrzeni i normalnie orbitujące gwiazdy. W przypadku galaktyk aktywnych w pobliżu centralnej czarnej dziury nagromadziło się dużo materiału, który opada na nią pod postacią dysku. Taki dysk nazywamy akrecyjnym:

źródło: cfa.harvard.edu

Ponieważ w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury panuje ekstremalne pole magnetyczne, część materii nie opada na czarną dziurę, tylko zostaje wystrzelona w okolicy jej biegunów. To tam pole magnetyczne jest najbardziej skręcone, przez co wystrzeliwane cząstki lecą w bardzo wąskiej strudze, którą w astronomii nazywamy profesjonalnie strugą (czy też, jak ktoś woli z angielskiego, dżetem, co po polsku znaczy struga). Jakby oglądać całe to zjawisko z boku, tj. patrząc na dysk akrecyjny z brzegu, a na strugi prostopadle, to zobaczymy coś, co nazwiemy radiogalaktyką:

źródło: www.nasa.gov

Jeśli popatrzymy na tę strukturę pod nieco innym kątem, tak że będziemy widzieć jednocześnie dysk i podstawę dżetu nachylone podobnie, to możliwe że zobaczymy tzw. galaktykę FR I lub FR II. A jeśli popatrzymy się na cały obiekt tak, że dżet będzie nam bił po oczach, a dysk akrecyjny będzie widoczny w całej krasie, to będzie to blazar lub kwazar. Uogólniony model wygląda tak:

źródło: ned.ipac.caltech.edu

OJ287 to nie jest normalny kwazar. Jego galaktyka macierzysta jest galaktyką po przejściach (w żargonie mówie się na to merdżer od ang. merger). Bliżej nieokreślony czas temu były to dwie galaktyki, które zderzyły się ze sobą. Teraz mamy jedną wielką galaktykę typu merger(złącznik? połączeniowa? fuzyjna? Podoba mi się fuzyjna), która w swoim centrum ma dwie supermasywne czarne dziury: jedna o masie 18.4 miliardów Słońc, a druga o masie, bagatela, 140 milionów Słońc. [źródło]. Ta masywniejsza czarna dziura ma wokół siebie dysk akrecyjny i produkuje dżety (jeden z tych dżetów jest skierowany w Ziemię). Wokół niej orbituje druga czarna dziura i dwa raz w 12-letnim cyklu orbitalnym przebija jej dysk akrecyjny (raz w jedną, raz w drugą stronę). W czasie jak ta mała supermasywna czarna dziura przechodzi przez dysk akrecyjny większej supermasywnej czarnej dziury, gaz w dysku zostaje podgrzany do 300’000 Kelwinów i przez kilka dni świeci mocnej od samego dżetu. To wydarzenie obserwowaliśmy w grudniu. W miarę jak mniejsza czarna dziura leciała sobie dalej, dysk zaczął wypełniać ubytek okoliczną materią zasypując dziurę z lokalną prędkością dźwięku, co w połączeniu samą kolizją zdestabilizowało nieco dysk. Teraz na centralną czarną dziurę opada nierównomierna ilość materii, przez co dżet świeci raz mocniej, raz słabiej. Cztery dni temu dżet rozbłysnął prawie najsilniej w całej stuletniej historii obserwacji OJ287 [źródło]. Nasz podwójny kwazar jest w tej chwili tak jasny, że można go zobaczyć przez duży teleskop okiem (tak, to jest bezpieczne patrzeć na strugę czarnej dziury gołym okiem) albo zrobić mu zdjęcie przez mniejszy teleskop. Jeśli ktoś ma aparat fotograficzny i teleskop ~30 cm, może spróbować zrobić mu zdjęcie. Współrzedne i mapkę mogę podać w komentarzach.

Skąd my to wszystko wiemy? Z obserwacji i modelowania. OJ287 jest obserwowany intensywnie od połowy lat ’90 i już wtedy został wysunięty model z dwiema czarnymi dziurami [źródło]. Model ten przewidział pojaśnienia OJ287 w roku 2005, 2007 i teraz w grudniu, 2015. W przypadku pierwszych wydarzeń, moment pojaśnienia zgadzał się co do tygodnia. W przypadku kolejnego pojaśnienia, nastąpiło ono z dokładnością do sześciu godzin względem modelu. Model potrafi więc przewidywać zachowanie blasku obiektu z taką dokładnością, z jaką przewidujemy ponowne nadejście komety Halleya (czyt. bardzo dużą). Ale przewidywanie samego czasu pojaśnienia to mało.

Model przewiduje, że pierwszym pojaśnieniem w cyklu będzie pojaśnienie od przebicia dysku, a potem będą pojaśnienia od większej aktywności strugi. W grudniu zaprzęgliśmy obserwatoria radiowe, optyczne i rentgenowskie, żeby badały, jakie jest widmo promieniowania przewidywanym pojaśnień. I wiecie co? Pierwsze pojaśnienie wyglądało dokładnie jak pojaśnienie dysku (obniżona polaryzacja i widmo bremsstrahlungu, czyli promieniowania termicznego ośrodka optycznie cienkiego), a kolejne trzy pojaśnienia wyglądały dokładnie tak, jak powinien wyglądać powiększony blask dżetu (zwiększona polaryzacja i widmo synchrotronowe, czyli promieniowania relatywistycznych cząstek przyspieszanych w polu magnetycznym). Warto dodać, że w tym modelu mniejsza czarna dziura ma orbitę bardzo spłaszczoną (ekscentryczność e=0.663), znaczy mocno eliptyczną, a na dodatek cała orbita się kręci (precesja orbity; 39 stopni na cykl orbitalny!). Przykład na animacji poniżej:

Te wszystkie przewidywania zgadzają się z obserwacjami. Dla dociekliwych: [źródło].

OJ287 jest w czołówce najmasywniejszych znanych czarnych dziur. To jest ultra-relatywistyczny układ podwójny, który idealnie nadaje się do testowania Ogólnej Teorii Względności. Na przykład, niedawno przeanalizowano zachowanie tego układu i wysnuto, że potwierdza on teorię, że „czarne dziury nie mają włosów” [źródło]. Sprowadza się to do tego, że każdą czarną dziurę faktycznie można opisać w pełni używając wyłącznie jej trzech parametrów: masy, ładunku elektrycznego oraz momentu pędu.
Inny przykład: fale grawitacyjne. Gdyby z tego układu nie były emitowane fale grawitacyjne, to rozbłyski były spóźnione nawet o parę tygodni. Model bierze pod uwagę emisję fal grawitacyjnych i rozbłyski następują wtedy, kiedy powinny. Także ten obiekt jako kolejny potwierdził istnienie fal grawitacyjnych już w 2008 roku [źródło].

Na koniec pytanie: czy nasza Droga Mleczna też może wyprodukować taki dżet? Teoretycznie tak. W 2010 roku zaobserwowano enigmatyczne struktury wychodzące z Drogi Mlecznej. Nazwane „Bąblami Fermiego” wielkie rezerwuary energetycznych cząstek najprawdopodobniej powstały w procesie podobnym do emisji dżetów dwa miliony lat temu. Jedyna różnica byłaby taka, że supermasywna czarna dziura w centrum naszej galaktyki nie jest aż tak super-supermasywna (zaledwie 8 milionów mas Słońca), a w jej okolicę zawędrował samotny obłok wodorowy. Wskutek spotkania czarna dziura zamiast pfffffffttttt! zrobiła pryk… i zanim dżet na dobre się utworzył, dżetowe paliwo się skończyło.

Ach, no i jakby ktoś szukał, to OJ287 jest na współrzednych (J2000) RA 08 54 48.87 DEC +20 06 30.64 [źródło].

Ten wpis zamieściłem również na Mikroblogu.
Autorzy obrazka głównego we wpisie: S. Zola & NASA/JPL