Ważenie czarnych dziur czających się w sercach galaktyk

W sercach większości dużych galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury. Naukowcy sądzą, że niektóre z nich mogą być naprawdę ogromne.

W pobliżu centrum Drogi Mlecznej znajduje się olbrzymi obiekt, który astronomowie nazywają Sagittarius A*. Ta supermasywna czarna dziura mogła urosnąć w tandemie z naszą Galaktyką i nie jest sama. Naukowcy podejrzewają, że podobne behemoty czają się w sercu niemal wszystkich dużych galaktyk w kosmosie.

Niektóre z nich mogą być naprawdę duże, powiedział Joseph Simon, dr hab. na Wydziale Nauk Astrofizycznych i Planetarnych CU Boulder.

Czarna dziura w centrum naszej Galaktyki ma masę milion razy większą od Słońca, ale widzimy też inne, które naszym zdaniem mają masę miliardy razy większą od Słońca – powiedział.

Astrofizyk poświęcił swoją karierę badaniu zachowań tych trudnych do zaobserwowania obiektów. W niedawnym badaniu wykorzystał symulacje komputerowe do przewidywania mas największych supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie – koncepcja matematyczna znana jako funkcja masy czarnej dziury.

Innymi słowy, Simon starał się ustalić, co można by znaleźć, gdyby można było umieścić każdą z tych czarnych dziur jedna po drugiej w olbrzymiej skali?

Jego obliczenia wskazują na możliwość, że miliardy lat temu czarne dziury mogły być średnio znacznie większe niż naukowcy kiedyś podejrzewali. Odkrycia te mogą pomóc naukowcom rozwikłać jeszcze większą tajemnicę, wyjaśniając siły, które kształtowały obiekty takie jak Sagittarius A*, gdy wyrosły z małych czarnych dziur w giganty, którymi są dzisiaj.

Na podstawie wielu różnych źródeł zaczynamy dostrzegać, że we Wszechświecie istniały dość masywne rzeczy od bardzo wczesnych lat – powiedział Simon.

Swoje odkrycia opublikował 30 maja 2023 roku w czasopiśmie The Astrophysical Journal Letters.

Galaktyczna symfonia
Dla Simona te dość masywne rzeczy to chleb powszedni.

Astrofizyk uczestniczy w drugim projekcie badawczym o nazwie North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav). W ramach tego projektu Simon oraz setki innych naukowców z USA i Kanady poświęcili 15 lat na badanie zjawiska znanego jako „tło fal grawitacyjnych”. Koncept ten odnosi się do nieustannego przepływu fal grawitacyjnych, które falują w kosmosie prawie nieprzerwanie.

To kosmiczne zaburzenie ma także swoje źródło w supermasywnych czarnych dziurach. Gdy dwie galaktyki zderzają się w przestrzeni kosmicznej, ich centralne czarne dziury mogą również zderzyć się i połączyć. Krążą one wokół siebie, a następnie zderzają, generując fale grawitacyjne, które dosłownie zakrzywiają strukturę Wszechświata.

Aby zrozumieć tło fal grawitacyjnych, naukowcy muszą jednak najpierw wiedzieć, jak masywne są supermasywne czarne dziury. Jak powiedział Simon, większe czarne dziury powodują większy huk i wytwarzają znacznie większe fale grawitacyjne.

Jest tylko jeden problem: Mamy naprawdę dobre pomiary mas supermasywnych czarnych dziur dla naszej Galaktyki i galaktyk znajdujących się w jej pobliżu – powiedział. Nie mamy takich samych pomiarów dla galaktyk znajdujących się dalej. Musimy tylko zgadywać.

W swoich nowych badaniach Simon postanowił zgadywać w zupełnie nowy sposób.

Najpierw zgromadził informacje dotyczące setek tysięcy galaktyk, w tym niektórych o wieku sięgającym miliardów lat. Następnie wykorzystał te dane do oszacowania przybliżonej masy czarnych dziur występujących w największych galaktykach obecnych we Wszechświecie. Kolejnym krokiem było skorzystanie z zaawansowanych modeli komputerowych do symulacji tła fal grawitacyjnych generowanych przez te galaktyki, które obecnie docierają również do Ziemi.

Wyniki osiągnięte przez Simona wyjawiają pełen asortyment supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie sprzed około 4 miliardów lat. Jednakże, Simon dostrzegł także coś niezwykłego: wydawało się, że miliardy lat temu było o wiele więcej dużych galaktyk we Wszechświecie, niż sugerowały niektóre wcześniejsze badania. Ta obserwacja nie miała większego sensu.

Oczekiwano, że te naprawdę masywne układy będzie można zobaczyć tylko w pobliskim Wszechświecie – powiedział Simon. Wzrost czarnych dziur wymaga czasu.

Jednak jego badania uzupełniają rosnącą liczbę dowodów sugerujących, że mogą one nie potrzebować tak dużo czasu, jak kiedyś sądzili astrofizycy. Na przykład zespół NANOGrav zaobserwował podobne wskazówki dotyczące olbrzymich czarnych dziur ukrywających się we Wszechświecie miliardy lat temu.

Na razie Simon ma nadzieję na zbadania pełnego zakresu czarnych dziur sięgającego jeszcze dalej w czasie – odkrywając wskazówki dotyczące tego, jak powstała Galaktyka Drogi Mlecznej, a ostatecznie nasz własny Układ Słoneczny.

Zrozumienie masy czarnych dziur ma kluczowe znaczenie dla niektórych z tych fundamentalnych pytań, ale także dla zrozumienia tego, jak rosną galaktyki i jak ewoluował nasz Wszechświat – powiedział Simon.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
University of Colorado Boulder

Vega

Na ilustracji: Obraz Sagittarius A* uzyskany przy użyciu Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT). Źródło: Współpraca EHT

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Zidentyfikowano nowy układ planetarny podobny do Tatooine

Międzynarodowy zespół astronomów ogłosił odkrycie drugiego w historii układu podwójnego gwiazd złożonego z wielu planet.

W układach planetarnych gwiazd podwójnych planety krążą wokół obu gwiazd jednocześnie, a nie tylko wokół jednej, jak w naszym Układzie Słonecznym. Odkrycie, dokonane przez naukowców z Birmingham, zostało opisane w artykule opublikowanym 12 czerwca 2023 roku w czasopiśmie Nature Astronomy.

Nowo odkryta egzoplaneta nosi nazwę BEBOP-1c, od nazwy projektu, w ramach którego zebrano dane. BEBOP to skrót od Binaries Escorted By Orbiting Planets. Układ BEBOP-1 jest również znany jako TOI-1338.

W 2020 roku w tym samym układzie odkryto planetę nazwaną TOI-1338b, krążącą wokół obu gwiazd, wykorzystując dane z teleskopu kosmicznego TESS. Planeta została odkryta metodą tranzytu i została zauważona, ponieważ kilkakrotnie przechodziła przed jaśniejszą z dwóch gwiazd.

Metoda tranzytu pozwoliła nam zmierzyć rozmiar TOI-1338b, ale nie jej masę, która jest najbardziej podstawowym parametrem planety – powiedział główny autor pracy, dr Matthew Standing.

Zespół BEBOP już wtedy monitorował ten układ przy użyciu innej metody detekcji, zwanej efektem Dopplera. Metoda ta polega na dokładnym pomiarze prędkości gwiazd.

Wykorzystując najnowocześniejsze narzędzia zainstalowane na dwóch teleskopach zlokalizowanych na pustyni Atacama w Chile, zespół naukowców podjął próbę zmierzenia masy planety, którą obserwowało TESS. Mimo ogromnego zaangażowania i lat pracy, nie udało im się osiągnąć tego celu. Jednakże, jako efekt ich badań, odkryli drugą planetę o nazwie BEBOP-1c oraz dokonali pomiaru jej masy.

Do tej pory znanych jest tylko 12 planetarnych układów podwójnych, a ten jest dopiero drugim, w którym znajduje się więcej niż jedna planeta – powiedział David Martin, astronom z Ohio State University.

Okres orbitalny BEBOP-1c wynosi 215 dni. Jego masa jest 65 razy większa niż masa Ziemi, co oznacza, że jest około pięć razy mniejsza od masy Jowisza – kontynuuje dr Standing. To były trudny do potwierdzenia układ, a nasze obserwacje zostały przerwane przez pandemię COVID, gdy teleskopy w Chile były zamknięte przez sześć miesięcy w krytycznym punkcie orbity planety. Ta część orbity stała się ponownie obserwowalna dopiero w zeszłym roku, gdy udało nam się ostatecznie dokonać detekcji.

Obecnie znane są tylko dwie planety w układzie podwójnym TOI-1338/BEBOP-1, ale w przyszłości może zostać zidentyfikowanych więcej, dzięki podobnym obserwacjom, jakie przeprowadził zespół.

Chociaż rzadkie, planety w układach podwójnych są ważne dla lepszego zrozumienia tego, co dzieje się, gdy powstaje planeta.

Planety powstają w dysku materii otaczającym młodą gwiazdę, gdzie masa stopniowo gromadzi się w planety – wyjaśnia dr Lalitha Sairam, badaczka z University of Birmingham i druga autorka badania.

W przypadku geometrii gwiazdy podwójnej dysk protoplanetarny otacza obie gwiazdy. Gdy dwie gwiazdy krążą wokół siebie, ich oddziaływanie przypomina działanie gigantycznej łopatki, która zakłóca dysk w ich sąsiedztwie i uniemożliwia formowanie się planet. Wyjątkiem są obszary w dysku, które są oddalone od układu podwójnego i charakteryzują się niewielkimi zakłóceniami. W przypadku układów podwójnych, w przeciwieństwie do gwiazd pojedynczych, takich jak Słońce, łatwiej jest określić lokalizację i warunki sprzyjające formowaniu się planet.

Zespół nie zna jeszcze rozmiaru BEBOP-1c, a jedynie jej masę, jednak naukowcy spróbują teraz użyć metody tranzytu, aby zmierzyć jej rozmiar.

Mimo braku wykrycia planety wewnętrznej TOI-1338b, zespół był w stanie ustalić precyzyjne górne limity jej masy. Obecnie wiadomo, że planeta posiada gęstość niższą niż biszkopt, co czyni ją idealną kandydatką do dalszych badań przy użyciu Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Jeśli te obserwacje zostaną przeprowadzone, mogą ujawnić chemiczne środowisko, w którym ta rzadka planeta krążąca w układzie podwójnym gwiazd została uformowana.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
University of Birmingham

Vega

Na ilustracji: Ilustracja upamiętniająca odkrycie planety krążącej wokół gwiazdy podwójnej BEBOP-1c. Źródło: Amanda Smith/University of Birmingham

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Scenariusz sugerujący nowy sposób zniszczenia gwiazdy

Poszukując źródeł potężnego rozbłysku gamma (GRB), międzynarodowy zespół astrofizyków mógł natknąć się na nowy sposób niszczenia gwiazd.

Mimo że większość rozbłysków gamma (GRB) powstaje w wyniku eksplozji masywnych gwiazd lub fuzji gwiazd neutronowych, naukowcy doszli do wniosku, że GRB 191019A powstał wskutek zderzenia gwiazd lub pozostałości gwiezdnych w gęstym środowisku otaczającym supermasywną czarną dziurę w jądrze starożytnej galaktyki. To środowisko, przypominające pozostałości po rozbiórce, wskazuje na dawno temu zakładany – lecz nigdy wcześniej nieobserwowany – sposób zniszczenia gwiazdy i generowania GRB.

Wyniki badań zostały opublikowane 22 czerwca 2023 roku w czasopiśmie Nature Astronomy.

Na każde sto zdarzeń, które pasują do tradycyjnego schematu klasyfikacji rozbłysków gamma, przypada co najmniej jeden dziwny przypadek, który wprawia nas w zakłopotanie – powiedział Wen-fai Fong, astrofizyk z Northwestern i współautor badania. Jednak to właśnie te dziwne przypadki mówią nam najwięcej o spektakularnej różnorodności eksplozji, do których zdolny jest Wszechświat.

Odkrycie tych niezwykłych zjawisk w gęstych układach gwiezdnych, zwłaszcza tych otaczających supermasywne czarne dziury w jądrach galaktyk, jest niezaprzeczalnie ekscytujące – powiedział Giacomo Fragione, astrofizyk z Northwestern i współautor badania. To niezwykłe odkrycie daje nam kuszące spojrzenie na skomplikowaną dynamikę działającą w tych kosmicznych środowiskach, czyniąc je fabrykami zdarzeń, które w innym przypadku zostałyby uznane za niemożliwe.

Większość gwiazd kończy swoje życie na jeden z trzech przewidywalnych sposobów, zależnie od swojej masy. Gwiazdy o stosunkowo niskiej masie, takie jak nasze Słońce, gdy osiągają podeszły wiek, odrzucają swoje zewnętrzne warstwy, a na skutek tego przemieniają się w białe karły. Gwiazdy o większej masie płoną jaśniej i wybuchają w kataklizmicznych eksplozjach supernowych, tworząc bardzo gęste obiekty, takie jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Trzeci scenariusz występuje, gdy dwie takie pozostałości gwiazdowe tworzą układ podwójny i ostatecznie zderzają się ze sobą.

Nowe badanie pokazuje jednak, że może istnieć czwarta opcja.

Nasze wyniki pokazują, że gwiazdy mogą spotkać się ze śmiercią w niektórych z najgęstszych regionów Wszechświata, gdzie mogą zostać doprowadzone do zderzenia – powiedział główny autor pracy Anderw Levan, astronom Uniwersytetu Radboud. To ekscytujące dla zrozumienia, w jaki sposób gwiazdy umierają i odpowiedzi na inne pytania, takie jak to, jakie nieoczekiwane źródła mogą wytwarzać fale grawitacyjne, które moglibyśmy wykryć na Ziemi.

Starożytne galaktyki, które czasy świetności mają już dawno za sobą, posiadają niewiele, jeżeli w ogóle, masywnych gwiazd. Ich jądra są jednak pełne gwiazd i menażerii bardzo gęstych pozostałości gwiezdnych, takich jak białe karły, gwiazdy neutronowe i czarne dziury. Astronomowie od dawna podejrzewali, że w burzliwym ulu aktywności otaczającym supermasywną czarną dziurę, zderzenie dwóch obiektów gwiazdowych w celu wytworzenia GRB byłoby tylko kwestią czasu. Jednak dowody na tego typu zderzenia pozostawały nieuchwytne.

19 października 2019 roku astronomowie zaobserwowali pierwsze oznaki takiego zdarzenia, gdy obserwatorium Swift wykryło jasny błysk promieniowania gamma, który trwał nieco ponad minutę. Każdy GRB trwający dłużej niż dwie sekundy jest uważany za długi. Takie rozbłyski zazwyczaj powstają w wyniku zapadania się gwiazd o masie co najmniej 10 razy większej od naszego Słońca.

Następnie naukowcy wykorzystali teleskop Gemini South w Chile aby przeprowadzić długoterminowe obserwacje związane z zanikającą poświatą GRB.

Dzięki tym obserwacjom astronomowie mogli zidentyfikować położenie GRB w regionie, który jest oddalony o mniej niż 100 lat świetlnych od jądra starożytnej galaktyki – bardzo blisko jej supermasywnej czarnej dziury. Co interesujące, badacze nie znaleźli również żadnych dowodów na istnienie odpowiadającej mu supernowej, która pozostawiłaby swój ślad w świetle zarejestrowanym przez Gemini South.

Jillian Rastinejad, członkini grupy badawczej, która przeprowadziła obliczenia w celu sprawdzenia obecności supernowej towarzyszącej długiemu GRB 191019A, wyjaśnia, że brak takiej supernowej wskazuje na to, że ten rozbłysk nie jest typowym wynikiem zapadnięcia się masywnej gwiazdy. Lokalizacja GRB 191019A w jądrze macierzystej galaktyki sugeruje podejrzewaną, lecz jeszcze niepotwierdzoną teorię dotyczącą powstawania źródeł emitujących fale grawitacyjne.

W typowych środowiskach galaktycznych występowanie długich rozbłysków gamma spowodowanych kolizjami gwiazdowych pozostałości, takich jak gwiazdy neutronowe i czarne dziury, jest bardzo rzadkie. Jednak jądra starożytnych galaktyk nie są zwykłe. W obszarze o średnicy zaledwie kilku lat świetlnych może znajdować się milion lub więcej gwiazd. To niezwykle gęste skupisko gwiazd może prowadzić do sporadycznych kolizji, szczególnie pod wpływem ogromnej grawitacji supermasywnej czarnej dziury, która zaburza ruchy gwiazd i wysyła je w różnych kierunkach. W końcu te nieposłuszne gwiazdy przecięłyby swoje trajektorie i dochodziłoby do ich połączenia, co wywoływałoby gigantyczną eksplozję możliwą do obserwacji z ogromnych odległości kosmicznych.

Praktycznie wszystkie nasze oczekiwania dotyczące środowiska zarówno krótkich, jak i długich GRB są podważone przez to zdarzenie – powiedziała Anya Nugent, badaczka odpowiedzialna za kluczowe modelowanie galaktyki macierzystej. Dotychczas nie obserwowano długich GRB w galaktykach tak starych i pozbawionych życia, jak ta, która jest gospodarzem GRB 191019A. Z kolei krótkie GRB, wynikające z połączeń, nie były wcześniej uważane za tak ściśle powiązane z jądrami swoich galaktyk macierzystych. Odkrycie tego zjawiska w jądrze starej, spokojnej galaktyki otwiera nowe, obiecujące możliwości dotyczące formowania się układów podwójnych, które dotychczas były rzadko obserwowane.

Możliwe, że takie zdarzenia rutynowo występują w podobnie zatłoczonych regionach we Wszechświecie, ale dotychczas pozostawały one niezauważone. Możliwym powodem ich ukrycia jest to, że centra galaktyk są pełne pyłu i gazu, które mogą przesłaniać zarówno początkowy błysk gamma, jak i wynikającą z niego poświatę. Jednak GRB 191019A może stanowić rzadki wyjątek, umożliwiający astronomom wykrycie rozbłysku i dokładne zbadanie jego następstw.

Chociaż to zdarzenie jest pierwszym tego typu odkrytym, możliwe, że jest ich więcej, skrytych za dużymi ilościami pyłu w pobliżu ich galaktyk – powiedział Fong. Rzeczywiście, jeżeli to długotrwałe zdarzenie pochodzi z łączenia się zwartych obiektów, przyczynia się ono do rosnącej populacji GRB, które wymykają się naszym tradycyjnym klasyfikacjom.

Naukowcy pracujący nad odkryciem większej liczby takich zdarzeń mają nadzieję dopasować detekcję rozbłysków gamma do odpowiedniej detekcji fal grawitacyjnych. To połączenie pozwoliłoby na uzyskanie większej ilości informacji na temat prawdziwej natury tych zjawisk oraz potwierdzenie ich pochodzenia – nawet w najbardziej ekstremalnych środowiskach.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Northwestern

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna rozbłysku gamma. Źródło: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/M. Garlick/M. Zamani

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Odkryto podwójnego kwazara we wczesnym Wszechświecie

Naukowcy dokonali nieoczekiwanego odkrycia – pary grawitacyjnie związanych kwazarów wewnątrz dwóch łączących się galaktyk, które istniały, gdy Wszechświat miał zaledwie 3 miliardy lat.

Międzynarodowa grupa badaczy poinformowała o odkryciu w czasopiśmie Nature.

Kwazary są jednymi z najjaśniejszych obiektów we Wszechświecie i są tworzone przez niewidoczne supermasywne czarne dziury, które żyją w centrach dużych galaktyk. Gdy czarne dziury odżywiają się, emitują energię ogrzewającą i oświetlającą pył i gaz, który pochłaniają.

Niedawno, dzięki nowoczesnym teleskopom, takim jak Hubble, naukowcy po raz pierwszy mieli okazję zaobserwować kwazary we wczesnym Wszechświecie. Podwójne kwazary były rzadko obserwowane, ale uważa się, że są one oznaką łączenia się galaktyk.

Jednym z największych wyzwań, przed którymi stoi współczesna astrofizyka, jest zrozumienie procesu formowania się czarnych dziur, powstawania pierwszych kwazarów oraz ich ewolucji w kosmicznej historii – powiedziała Tiziana Di Matteo z Carnegie Mellon.

Kwazary, mimo swojego małego rozmiaru, pełnią fundamentalną rolę w kształtowaniu galaktyk i ich ewolucji do obecnego stanu. Badanie wczesnych kwazarów, zwłaszcza ich par, przyczynia się do naszego zrozumienia procesów, które leżą u podstaw formowania się struktur kosmicznych w naszym Wszechświecie, a także powstawania czarnych dziur.

Naukowcy skorzystali z modeli komputerowych, aby zgłębić proces powstawania podwójnych kwazarów oraz ich lokalizację we Wszechświecie. Z uwagi na wyjątkową rzadkość tych par, gdzie może występować zaledwie kilka na milion galaktyk, symulacja komputerowa musiała uwzględniać co najmniej milion galaktyk, aby próbować odzwierciedlić tę niewielką liczbę podwójnych kwazarów.

Di Matteo współtworzyła symulację powstawania galaktyk o nazwie Astrid, jedną z największych symulacji kosmologicznych, jakie kiedykolwiek stworzono. Otrzymała duży przydział zasobów na systemie Texas Advanced Computing Center Frontera. TACC jest najpotężniejszym superkomputerem akademickim w USA.

Wykorzystanie zasobów TACC do przechowywania i analizowania petabajtów danych produkowanych przez Astrid pozwala nam odkryć pochodzenie gwiazd, galaktyk i to, że podwójne kwazary odgrywają ważną rolę – powiedziała Di Matteo.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
NSF

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca dwa kwazary w jądrach dwóch galaktyk w procesie łączenia. Źródło: NASA, ESA, Joseph Olmsted (STScI)

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Odkrywanie początków łączenia się czarnych dziur w galaktykach takich jak nasza

Międzynarodowy zespół naukowców rzuca światło na enigmatyczną naturę masywnych czarnych dziur.

Wykorzystując zaawansowane narzędzia symulacyjne, międzynarodowy zespół naukowców przewidział istnienie łączących się układów podwójnych masywnych czarnych dziur o masie 30 mas Słońca, które łączą się w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej, podważając wcześniejsze teorie.

Zespół wykorzystał najnowsze istotne postępy w kodzie POSYDON do symulacji populacji gwiazd podwójnych. To pozwoliło im uzyskać nowe spojrzenie na mechanizmy tworzenia się łączących się czarnych dziur w galaktykach takich jak nasza.

Wyniki zostały opublikowane 29 czerwca 2023 roku w czasopiśmie Nature Astronomy. Jest to pierwsze badanie, w którym wykorzystano nowo wydane oprogramowanie open-source o nazwie POSYDON do analizy łączących się podwójnych czarnych dziur.

Modele poprzedzające POSYDON przewidywały bardzo niską częstotliwość powstawania łączących się podwójnych czarnych dziur w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej. Co więcej, nie przewidywały one istnienia czarnych dziur o tak ogromnej masie jak 30 mas Słońca – powiedziała Vicky Kalogera, współautorka badania. POSYDON natomiast wykazał, że tak potężne czarne dziury mogą rzeczywiście istnieć w galaktykach podobnych do Drogi Mlecznej, a my przedstawiliśmy naukowe wyjaśnienie, które tłumaczy, dlaczego to jest możliwe.

Czarne dziury posiadają ogromne przyciąganie grawitacyjne tak silne, że nawet światło nie jest w stanie mu uciec. Odkrycie fal grawitacyjnych w 2015 roku, będących wynikiem połączenia dwóch czarnych dziur, stanowiło przełomowe wydarzenie, otwierając nowe możliwości obserwacji Wszechświata. Od tamtej pory dziesiątki takich obserwacji prowadziły astrofizyków do poszukiwań zrozumienia astrofizycznego źródła tych fal grawitacyjnych.

Czarne dziury o masie gwiazdowej to obiekty niebieskie powstałe w wyniku rozpadu gwiazd o masie od kilku do kilkuset razy większej niż masa naszego Słońca. Ich pole grawitacyjne jest tak silne, że ani materia, ani promieniowanie nie jest w stanie ich ominąć, co sprawia, że wykrycie ich jest niezwykle trudne. Dlatego też, gdy w 2015 roku Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) wykryło zmarszczki w czasoprzestrzeni powstałe w wyniku połączenia się dwóch czarnych dziur, zostało to okrzyknięte przełomowym momentem. Według astrofizyków, dwie łączące się czarne dziury będące źródłem sygnału miały masę około 30 razy większą od Słońca i znajdowały się w odległości 1,5 miliarda lat świetlnych.

Teoria pomostowa i obserwacje
Jakie mechanizmy wytwarzają te czarne dziury? Czy są one produktem ewolucji dwóch gwiazd, podobnych do Słońca, ale znacznie masywniejszych, ewoluujących w układzie podwójnym? A może powstają one w wyniku przypadkowego zderzenia się czarnych dziur w gęsto zaludnionych gromadach gwiazd? A może w grę wchodzi bardziej egzotyczny mechanizm? Wszystkie te pytania są do dziś przedmiotem gorących dyskusji.

Współpraca zespołu naukowców z instytucji takich jak Northwestern, University of Geneva (UNIGE) i University of Florida (UF), przy wsparciu projektu POSYDON, zaowocowała znaczącymi postępami w symulacji populacji gwiazd podwójnych. Praca ta ma na celu dostarczenie bardziej precyzyjnych odpowiedzi oraz harmonizację przewidywań teoretycznych z danymi obserwacyjnymi.

Ponieważ niemożliwe jest bezpośrednie obserwowanie formowania się łączących się podwójnych czarnych dziur, konieczne jest poleganie na symulacjach, które odtwarzają ich właściwości obserwacyjne – powiedziała Simone Bavera, dr hab. na katedrze astronomii Wydziału Nauki UNIGE i główna autorka badania. Robimy to poprzez symulację układów podwójnych gwiazd od ich narodzin do powstania układów podwójnych czarnych dziur.

Przesuwanie granic symulacji
Interpretacja pochodzenia łączących się podwójnych czarnych dziur, takich jak te zaobserwowane w 2015 roku, wymaga porównania przewidywań modeli teoretycznych z rzeczywistymi obserwacjami. Technika używana do modelowania tych układów znana jest jako „synteza populacji układów podwójnych.”

Technika ta symuluje ewolucję dziesiątek milionów układów podwójnych gwiazd w celu oszacowania statystycznych właściwości powstałej populacji źródeł fal grawitacyjnych – powiedział Anastasios Fragkos, adiunkt w katedrze astronomii na Wydziale Nauki UNIGE.

Jednak, aby osiągnąć to w rozsądnych ramach czasowych, naukowcy do tej pory polegali na modelach wykorzystujących przybliżone metody do symulacji ewolucji gwiazd i ich interakcji w układach podwójnych – dodał. W związku z tym nadmierne uproszczenie fizyki pojedynczych i podwójnych gwiazd prowadzi do mniej dokładnych prognoz.

POSYDON przełamuje te ograniczenia. Jako oprogramowanie typu open-source, został zaprojektowany do wykorzystania ogromnej biblioteki szczegółowych symulacji pojedynczych i podwójnych gwiazd, co pozwala na przewidywanie ewolucji izolowanych układów podwójnych. Każda z tych rozbudowanych symulacji może zająć nawet 100 godzin pracy procesora centralnego (CPU) na superkomputerze, co dotychczas uniemożliwiało bezpośrednie zastosowanie tej techniki symulacyjnej do syntezowania populacji układów podwójnych.

Jednak dzięki uprzedniemu obliczeniu biblioteki symulacji obejmującej cały zakres parametrów warunków początkowych, POSYDON jest w stanie wykorzystać ten obszerny zestaw danych we współpracy z metodami uczenia maszynowego do przewidywania pełnej ewolucji układów podwójnych w mniej niż sekundę – powiedział Jeffrey Andrews, asystent profesora na wydziale fizyki UF. Ta prędkość jest porównywalna z szybkimi kodami syntezy populacji z poprzednich generacji, ale charakteryzuje się większą dokładnością.

Wprowadzenie nowego modelu
Poprzednie modele przeceniały niektóre aspekty, takie jak ekspansja masywnych gwiazd, która wpływa na utratę ich masy i interakcje układów podwójnych. Elementy te są kluczowymi składnikami określającymi właściwości łączących się czarnych dziur. Dzięki tym w pełni spójnym, szczegółowym symulacjom struktur gwiazd i interakcji układów podwójnych, POSYDON osiąga dokładniejsze przewidywania właściwości łączących się czarnych dziur, takich jak ich masy i spiny.

Zespół naukowców opracowuje obecnie nową wersję POSYDON, która będzie zawierać większą bibliotekę szczegółowych symulacji gwiazd i układów podwójnych w szerszym zakresie typów galaktyk.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Northwestern

Vega

Na ilustracji: Czarna dziura o masie 31,5 mas Słońca z towarzyszem czarnej dziury o masie 8,38 mas Słońca widziana przed jej gwiezdnym żłobkiem przed połączeniem. Odległe pasmo Drogi Mlecznej widać w lewym dolnym rogu pary czarnych dziur. Światło jest zakrzywione w pobliżu czarnych dziur z powodu ich silnej grawitacji. Źródło: Aaron M. Geller, Northwestern CIERA & NUIT-RCS; ESO / S. Brunier

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Astronomowie proponują nową metodę pomiaru odległości galaktyk

Nasz Wszechświat składa się setek miliardów galaktyk, a w przypadku pobliskich galaktyk odległości są mierzone głównie za pomocą klasycznych cefeid i gwiazd typu RR Lyrae (RR Lyr).

Gwiazdy typu RR Lyr to pulsujące gwiazdy zmienne, które są 100 razy jaśniejsze od naszego Słońca i ponad dwukrotnie starsze. Mogą być używane jako świece standardowe do pomiaru odległości galaktyk, ze względu na ścisły związek między ich okresem pulsacji a jasnością przy tej samej zawartości pierwiastków.

Korzystając z tej wiedzy, naukowcy z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Chińskiej Akademii Nauk (NAOC) zaproponowali wykorzystanie gwiazd typu RR Lyr o podwójnym okresie do precyzyjnego pomiaru odległości galaktyk. Dzięki tej metodzie udało się zoptymalizować błąd pomiaru odległości galaktyk do zakresu 1-2%.

Ich badanie zostało opublikowane w Nature Astronomy 19 czerwca 2023 roku.

Około 5% gwiazdy RR Lyr pulsuje z więcej niż jednym okresem. Gwiazdy RR Lyr z podwójnym okresem są wyjątkowe, ponieważ dwa okresy są powiązane z właściwościami gwiazdy, takimi jak masa i obfitość pierwiastków.

Odkryliśmy, że obfitość pierwiastków może być reprezentowana przez dwa okresy, a tym samym ustalono zależność okres–jasność niezależną od obfitości pierwiastków – powiedział dr CHEN Xiaodian, główny autor badania.

W porównaniu z pomiarami obfitości pierwiastków, pomiary okresu są zarówno łatwe, jak i dokładne.

Nasza praca zapewnia metodę, dzięki której pomiary odległości pobliskich galaktyk można uzyskać z samej fotometrii, bez polegania na obserwacjach spektroskopowych – powiedział dr DENG Licai, starszy naukowiec z NAOC i współautor badania. Zwiększy to próbkę galaktyk o wysokiej precyzji odległości o współczynnik 20 lub więcej.

Gwiazdy typu RR Lyr z podwójnym okresem są cennymi próbnikami, które dostarczają nie tylko wiarygodnych odległości, ale także informacji o zawartości pierwiastków.

W nadchodzących latach Teleskop Chińskiej Stacji Kosmicznej i Obserwatorium Vera C. Rubin odkryją dziesiątki tysięcy gwiazd typu RR Lyr o podwójnym okresie jasności w pobliskich galaktykach. Wykorzystując metodę pomiaru odległości opartą na gwiazdach RR Lyr o podwójnym okresie, spodziewamy się zobaczyć intuicyjną mapę 3D Grupy Lokalnej i uzyskać bardzo precyzyjną stałą Hubble’a.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
CAS

Vega

Na ilustracji: Intuicyjna mapa 3D Grupy Lokalnej. Źródło: NAOC

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Odkryto planetę, która nie powinna istnieć

Gdy gwiazda podobna do naszego Słońca osiągnie koniec swojego życia rozszerza się tak, że pochłania planety ją okrążające. Teraz, astronomowie odkryli planetę, która przetrwała tę fazę swojej gwiazdy macierzystej.

Kiedy nasze Słońce osiągnie koniec swojego życia, rozszerzy się do 100-krotności swojego obecnego rozmiaru, zagrażając Ziemi. Wiele planet w innych układach słonecznych czeka podobna zagłada w miarę starzenia się ich gwiazd macierzystych. Astronomowie z University of Hawaiʻi Institute for Astronomy (IfA) dokonali niezwykłego odkrycia planety, która przetrwała po tym, co powinno być pewną śmiercią z rąk jej słońca. Badanie zostało opublikowane w Nature.

Planeta 8 UMi b, znana oficjalnie jako Halla, jest podobna do Jowisza i krąży wokół czerwonego olbrzyma Baekdu (8 UMi) w odległości, która stanowi zaledwie połowę odległości dzielącej Ziemię od Słońca. Badacze skorzystali z dwóch obserwatoriów – Kecka oraz Canada-France-Hawaiʻi Telescope (CFHT) – i odkryli, że Halla utrzymuje się na orbicie, pomimo zwykle niebezpiecznej ewolucji Baekdu. Dzięki obserwacjom oscylacji gwiazdy Baekdu przy użyciu satelity TESS, astronomowie wykazali, że gwiazda spala hel w swoim jądrze, co świadczy o wcześniejszym ogromnym rozszerzeniu się w czerwonego olbrzyma.

Gwiazda powiększyłaby się do 1,5-krotności odległości orbitalnej planety, pochłaniając ją w tym procesie, zanim skurczyłaby się do obecnego rozmiaru w zaledwie 1/10 tej odległości.

Pochłonięcie planety ma katastrofalne konsekwencje albo dla planety, albo dla samej gwiazdy – albo obu – powiedział Marc Hon, główny autor badania. Fakt, że Halla zdołała przetrwać w bezpośrednim sąsiedztwie olbrzymiej gwiazdy, która w przeciwnym razie pochłonęłaby ją, podkreśla, że planeta jest niezwykłą ocalałą.

Obserwatoria Maunakea potwierdzają ocalałą
Planeta Halla została odkryta w 2015 roku przez zespół z Korei przy użyciu metody prędkości radialnych, która pozwala mierzyć okresowy ruch gwiazdy, wywołany grawitacyjnym przyciąganiem orbitującej planety. Po odkryciu, że gwiazda musiała być kiedyś większa niż orbita planety, zespół z Instytutu Astronomii (IfA) przeprowadził dodatkowe obserwacje w latach 2021-2022 przy użyciu spektrometru Echelle o wysokiej rozdzielczości zainstalowanego w Obserwatorium Keck oraz instrumentu ESPaDOnS CFHT. Nowe dane jednoznacznie potwierdziły stabilność prawie kołowej orbity planety, trwającej 93 dni, przez ponad dekadę, a także wykazały, że ruch w przód i w tył musi być spowodowany przez tę planetę.

Łącznie obserwacje te potwierdziły istnienie planety, pozostawiając nas z fascynującym pytaniem, w jaki sposób ona faktycznie przetrwała – powiedział astronom IfA Daniel Huber, drugi autor badania. Obserwacje z wielu teleskopów na Maunakea były kluczowe w tym procesie.

Ucieczka przed pochłonięciem
Egzoplaneta Halla, położona zaledwie 0,46 jednostki astronomicznej od swojej gwiazdy, przypomina gorące planety podobne do Jowisza, które, jak się uważa, powstawały na większych orbitach, aby następnie migrować w kierunku wnętrza układu, zbliżając się do swoich gwiazd. Jednak w obliczu dynamicznego rozwoju gwiazdy macierzystej, takie pochodzenie staje się mało prawdopodobną ścieżką przetrwania dla planety Halla.

Inną teorią dotyczącą przetrwania planety jest ta, że nigdy nie była ona zagrożona przez pochłonięcie. Zespół naukowców sugeruje, że gwiazda macierzysta Baekdu, podobnie jak słynna planeta Tatooine z Gwiezdnych Wojen, mogła początkowo stanowić układ podwójny. Połączenie tych dwóch gwiazd prawdopodobnie uniemożliwiło którejś z nich osiągnięcie dostatecznie dużej ekspansji, która mogłaby spowodować wchłonięcie planety.

Trzecia możliwość jest taka, że Halla jest względnym noworodkiem – że gwałtowne zderzenie dwóch gwiazd wytworzyło obłok gazu, z którego uformowała się planeta. Innymi słowy, planeta Halla może być niedawno narodzoną planetą drugiej generacji.

Większość gwiazd znajduje się w układach podwójnych, ale nie rozumiemy jeszcze w pełni, w jaki sposób mogą tworzyć się wokół nich planety – powiedział Hon. Dlatego jest prawdopodobne, że więcej planet może faktycznie istnieć wokół wysoko rozwiniętych gwiazd dzięki interakcjom układów podwójnych.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
University of Hawaiʻi

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna planet niszczonych przez puchnącą gwiazdę. Źródło: W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Szczegółowe obserwacje błękitnych nadolbrzymów

Naukowcy opublikowali wyniki badania blisko tysiąca błękitnych nadolbrzymów w Drodze Mlecznej. To największa próbka gwiazd tego typu dotychczas zbadana. Badanie opierało się na 15 latach obserwacji. Analiza tych danych pozwoli naukowcom rozszerzyć wiedzę na temat ewolucji masywnych gwiazd.

Zespół naukowców opublikował pierwsze wyniki szczegółowego badania prawie tysiąca błękitnych nadolbrzymów w Drodze Mlecznej. Jest to dotychczas największa zbadana próbka gwiazd tego typu. Badanie opierało się na ponad 15 latach wysokiej jakości obserwacji, przeprowadzonych głównie przy użyciu teleskopów NOT i Mercator w Obserwatorium Roque de los Muchachos na La Palmie. Analiza tych danych pozwoli naukowcom rozszerzyć wiedzę na temat ewolucji masywnych gwiazd.

Gwiazdy stanowią fundamentalne elementy budowy galaktyk oraz obserwowalnego Wszechświata. Wśród różnych rodzajów gwiazd istnieją takie, których masa przekracza 8 mas Słońca. Nazywane są one gwiazdami masywnymi, a ich intensywne promieniowanie i potężne wiatry gwiazdowe mają ogromny wpływ na otaczający je ośrodek międzygwiazdowy. We wnętrzu tych gwiazd powstają pierwiastki cięższe od wodoru i helu, które odgrywają kluczową rolę w ewolucji chemicznej galaktyk oraz, ostatecznie, w powstaniu życia.

Po zakończeniu swojego życia, gwiazdy masywne przekształcają się w supernowe, w wyniku których powstają gwiazdy neutronowe i czarne dziury o masie gwiazdowej. Wszystko to prowadzi do wniosku, że natura i ewolucja tych gwiazd mają fundamentalne znaczenie dla astrofizyki.

W tym kontekście termin „błękitne nadolbrzymy” odnosi się do olbrzymich gwiazd o dużej masie, które znajdują się w kluczowym etapie swojego ewolucyjnego cyklu, znanym jako „gwiezdne dorastanie”. Ten etap ma decydujące znaczenie dla dalszego życia tych gwiazd oraz ich ostatecznych losów. Ze względu na złożoność tego procesu ewolucyjnego, wcześniejsze badania oparte na próbkach kilkudziesięciu takich gwiazd nie dostarczyły wystarczających informacji, aby móc je dokładnie zrozumieć.

Opublikowane badanie przeprowadzono, obserwując około 750 błękitnych nadolbrzymów znajdujących się w promieniu 6500 lat świetlnych od Ziemi. Takie podejście pozwoliło na uzyskanie jednej z najbardziej kompletnych i najwyższej jakości próbek uzyskanych do tej pory. Projekt IACOB IAC, trwający ponad 15 lat, skupiał się na zdobyciu wysokiej jakości i rozdzielczości widm masywnych gwiazd, w tym na wyczerpujących poszukiwaniach błękitnych nadolbrzymów w Drodze Mlecznej. Celem tych badań było dokładne zbadanie znacznej większości tych gwiazd.

Analiza tej próbki pozwoli nam odpowiedzieć na niektóre pytania dotyczące ewolucyjnej natury i właściwości fizycznych tych obiektów, które przez dziesięciolecia pozostawały bez rozwiązania, ponieważ były one mniej znane niż inne typy gwiazd o mniejszej masie, mimo że są one ważne w wielu dziedzinach współczesnej astrofizyki – powiedział Abel de Burgos Sierra, badacz z IAC i ULL oraz pierwszy autor artykułu.

W celu wyboru próbki zastosowano nową metodę flagowania opartą na łatwo rozpoznawalnym znaczniku w widmach badanych gwiazd, a mianowicie kształcie profilu linii H-beta. Dzięki prostemu pomiarowi, ta nowa metoda umożliwia szybkie i skuteczne zidentyfikowanie gwiazd w określonym zakresie temperatury i grawitacji powierzchniowej, eliminując konieczność stosowania złożonych modeli atmosfer gwiazd przy wykorzystaniu tradycyjnych metod analizy widmowej.

Kolejnym krokiem, nad którym de Burgos już pracuje, jest uzyskanie dokładnych danych na temat parametrów fizycznych (masa, temperatura, jasność) i obfitości chemicznych (He, C, N, O, Si) dla próbki 750 błękitnych nadolbrzymów. Pomoże to odpowiedzieć na niektóre z najciekawszych pytań, na które wciąż nie ma odpowiedzi, co pozwoli nam lepiej zrozumieć tę „fazę dorastania” masywnych gwiazd – podsumowuje Miguel A. Urbaneja, badacz z Uniwersytetu w Innsbrucku i współautor artykułu.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
IAC

Vega

Na zdjęciu: Obraz podwójnej gromady h i xi Persei w konstelacji Perseusza, z błękitnymi nadolbrzymami w badaniu oznaczonymi krzyżykami i zawierającym typowe widmo z próbki. Źródło: Abel de Burgos Sierra (IAC)

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

ALMA zgłębia tajemnicę powstawania planet

Naukowcy wykorzystali ALMA do obserwacji dysków protoplanetarnych wokół 19 protogwiazd w celu wykrycia wczesnych oznak formowania się planet.

Międzynarodowy zespół naukowców wykorzystał ALMA do przeprowadzenia obserwacji dysków wokół 19 protogwiazd o niezwykle wysokiej rozdzielczości w celu wykrycia wczesnych oznak tworzenia się planet. Projekt badawczy, zatytułowany “Wczesne formowanie planet w zagnieżdżonych dyskach” (ang. Early Planet Formation in Embedded Disks – eDisk), został rozpoczęty pod kierownictwem Nagayoshiego Ohashi z Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA, Tajwan). Inspiracją dla tej pracy były niedawne odkrycia sugerujące, że proces tworzenia się planet może być aktywny w bardziej rozwiniętych dyskach protoplanetarnych, które zostały szczegółowo zbadane za pomocą ALMA. Jednak dotychczas brakowało systematycznych badań mających na celu wykrycie oznak formowania się planet w młodszych układach protogwiazdowych. Wyniki badań zostały opublikowane w The Astrophysical Journal.

Pochodzenie naszego Układu Słonecznego i pozasłonecznych układów planetarnych jest jednym z najważniejszych tematów współczesnej astronomii. Nasze Słońce uformowało się około 4,6 miliarda lat temu, a wszystkie gwiazdy podobne do Słońca powstały w podobnym procesie. W ramach tego procesu wokół nowo narodzonej gwiazdy tworzy się dysk, w którym formują się planety. Oczekuje się, że te dyski protoplanetarne przetrwają tylko kilka milionów lat, co oznacza, że formujący się układ planetarny ma tylko tyle czasu na zakończenie procesu formowania. Jednak wciąż nie jest jasne, jak szybko w ich dyskach rozpoczyna się formowanie planet. Niedawne obserwacje ALMA ujawniły, że wiele dysków protoplanetarnych ma podstruktury, takie jak szczeliny i pierścienie. Jest to mocny dowód na to, że planety formują się i wymiatają materię z dysku. Z drugiej strony, wiele dysków protoplanetarnych wykazuje takie oznaki, co sugeruje, że formowanie planet już trwa lub prawie się zakończyło w układach, które zwykle nazywamy dyskami protoplanetarnymi. Te poprzednie wyniki zmotywowały nas do zbadania jeszcze młodszych dysków wokół protogwiazd, aby odpowiedzieć na pytanie, na jakim etapie formowania się gwiazd powstają planety – powiedział Ohashi.

Kierując się taką motywacją, zespół skupił się na dyskach wokół protogwiazd, układów, które mają wiek od 10 000 do 100 000 lat. Korzystając z ALMA, zespół obserwował emisję radiową wydzielaną przez ziarna pyłu, czyli elementy składające się na planety, znajdujące się w dyskach protoplanetarnych. Dotychczasowe badania pozwoliły na obserwację tylko nielicznych protogwiazd z rozdzielczością wystarczającą do wykrywania oznak procesu formowania się planet. Naukowcy skupili się na 19 protogwiazdach odległych od Ziemi o około 650 lat świetlnych i wykorzystali bardzo wysoką rozdzielczość kątową ALMA w celu dokładnego zbadania struktury dysków protoplanetarnych. Jest to pierwsze systematyczne badanie, które ma na celu zbadanie szczegółowej struktury dysków wokół dużej próbki protogwiazd przy użyciu tak wysokiej rozdzielczości kątowej.

Obserwacje potwierdziły istnienie dysków wokół wszystkich protogwiazd, co oznacza, że minimalne warunki do formowania się planet są już obecne w tak młodych układach protogwiazdowych. Jednak obserwacje wyraźnie pokazują, że dyski wokół protogwiazd różnią się od bardziej rozwiniętych dysków protoplanetarnych. Spośród 19 protogwiazd zaobserwowano pierścienie i luki, które są oznakami formowania się planet, jedynie w kilku dyskach wokół najbardziej rozwiniętych protogwiazd. Ponadto, struktury pierścieni są mniej wyraźne niż te obserwowane w dyskach protoplanetarnych. Dodatkowo, stwierdzono, że pył, który stanowi budulec planet, w wielu dyskach nie jest osadzony w płaszczyźnie środkowej dysku. Zamiast tego, pył znajduje się wysoko, powyżej płaszczyzny środkowej dysku, powodując, że dyski wydają się grubsze w kierunku pionowym. Natomiast w bardziej rozwiniętych dyskach pył osadza się w płaszczyźnie środkowej, co sprawia, że wydają się one znacznie cieńsze. Ohashi powiedział: Nie spodziewaliśmy się zobaczyć tak wyraźnych różnic między dyskami wokół protogwiazd a bardziej rozwiniętymi dyskami. John Tobin, współkierownik programu w National Radio Astronomical Observatory (USA), dodaje: Nasze wyniki sugerują, że dyski wokół protogwiazd nie są w pełni gotowe do formowania się planet. Uważamy, że proces tworzenia się układu planetarnego postępuje szybko w okresie od 100 000 do 1 000 000 lat po rozpoczęciu formowania się gwiazdy.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
ALMA

Vega

Na ilustracji: Zdjęcia dysków wokół 19 protogwiazd, w tym 4 układów podwójnych zaobserwowanych za pomocą ALMA. Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), N. Ohashi i inni

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Naukowcy wykrywają galaktyki macierzyste kwazarów we wczesnym Wszechświecie

Po raz pierwszy w historii uzyskano zdjęcia dwóch kwazarów widzianych, gdy Wszechświat miał zaledwie 860 milionów lat.

Po raz pierwszy, najnowsze zdjęcia uzyskane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ukazują światło gwiazd pochodzące z dwóch olbrzymich galaktyk, które zawierają aktywnie rosnące czarne dziury znane jako kwazary. Te obrazy odkrywają nam obiekty widoczne mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu. Przeprowadzone niedawno badanie opublikowane w czasopiśmie Nature wykazało, że te czarne dziury posiadają masę prawie miliard razy większą niż Słońce, zaś ich galaktyki macierzyste mają niemal sto razy większą masę, co jest porównywalne do proporcji obserwowanych w niedawnej historii Wszechświata. Dzięki połączeniu mocy obserwacyjnej Teleskopu Subaru i JWST, otworzyła się zupełnie nowa droga do badania odległych zakątków Wszechświata.

Istnienie tak masywnych czarnych dziur w odległym Wszechświecie stawia przed astrofizykami więcej zagadek niż odpowiedzi. Jak mogły one osiągnąć tak ogromne rozmiary w młodym Wszechświecie? Co więcej, obserwacje lokalnego Wszechświata ujawniają wyraźny związek między masą supermasywnych czarnych dziur a znacznie większymi galaktykami, w których się znajdują. Biorąc pod uwagę znaczącą różnicę w rozmiarach galaktyk i czarnych dziur, nasuwa się pytanie: co pojawiło się pierwsze – czarne dziury czy galaktyki? Stanowi to swego rodzaju kosmiczny problem typu “kura czy jajko”.

Międzynarodowy zespół naukowców rozpoczął badanie wczesnego Wszechświata, mające na celu odpowiedzieć na pytanie dotyczące relacji między galaktykami macierzystymi a supermasywnymi czarnymi dziurami. Wykorzystują do tego celu najnowocześniejsze narzędzie – JWST. Dzięki tej obserwacji naukowcy mają możliwość śledzenia procesu formowania się tych czarnych dziur oraz zrozumienia, w jaki sposób są one powiązane z ich galaktykami macierzystymi.

Kwazary są jasne, podczas gdy ich galaktyki macierzyste są słabe, co utrudniało naukowcom wykrycie słabego światła galaktyki w blasku kwazara, zwłaszcza na dużych odległościach. Przed powstaniem JWST, Kosmiczny Teleskop Hubble’a był w stanie wykryć galaktyki macierzyste świecących kwazarów, gdy Wszechświat miał niecałe 3 miliardy lat, ale nie młodsze.

Doskonała czułość oraz niezwykle ostre obrazy w podczerwieni, uzyskane dzięki JWST, wreszcie umożliwiły naukowcom przeniesienie badań do czasów, gdy kwazary i galaktyki powstawały po raz pierwszy. Zaledwie kilka miesięcy po rozpoczęciu regularnej pracy JWST, zespół obserwował dwa kwazary: HSC J2236+0032 oraz HSC J2255+0251. Oba posiadają przesunięcia ku czerwieni wynoszące odpowiednio 6,4 oraz 6,34, co wskazuje na to, że obserwowane zjawiska miały miejsce, gdy Wszechświat miał około 860 milionów lat. Odkrycie tych dwóch kwazarów zostało dokonane w ramach programu głębokiego przeglądu przy użyciu 8,2-metrowego Teleskopu Subaru. Pomimo stosunkowo niskiej jasności tych kwazarów, stały się one kluczowymi obiektami do pomiaru właściwości ich galaktyk macierzystych. To pozwoliło na wcześniejsze wykrycie światła gwiazd w kwazarach, stanowiąc tym samym najwcześniejszą do tej pory znaną epokę, w której takie zjawiska mogły zostać zarejestrowane.

Zdjęcia dwóch kwazarów zostały wykonane za pomocą instrumentu JWST NIRCam w zakresie podczerwieni na długości fal 3,56 i 1,50 mikrona. Galaktyki macierzyste stały się widoczne po precyzyjnym modelowaniu i odjęciu jasności emitowanej przez akreujące czarne dziury. Sygnatura gwiezdna galaktyki macierzystej została również zaobserwowana w widmie uzyskanym przez instrument NIRSpec dla J2236+0032, co dodatkowo potwierdziło wykrycie tej galaktyki.

Analizy fotometrii galaktyk macierzystych wykazują, że obie te galaktyki są ogromne – pierwsza o masie około 130 miliardów mas Słońca, a druga o masie około 34 miliardów mas Słońca. Pomiar prędkości turbulentnego gazu w pobliżu kwazarów, dokonany przy użyciu widm NIRSpec, sugeruje, że czarne dziury napędzające te kwazary są również olbrzymie – pierwsza o masie około 1,4 miliarda mas Słońca, a druga o masie około 0,2 miliarda mas Słońca. Stosunek masy czarnej dziury do masy jej galaktyki macierzystej przypomina relacje obserwowane w innych galaktykach w niedawnej historii, co sugeruje, że powiązanie między czarnymi dziurami a ich galaktykami istniało już 860 milionów lat po Wielkim Wybuchu.

Naukowcy będą kontynuować te badania, wykorzystując większą próbkę oraz planowane obserwacje JWST w cyklu 1. Dzięki temu możliwe będzie dalsze zawężenie modeli koewolucji czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych. Zespół niedawno otrzymał informację o dodatkowym czasie na obserwacje w kolejnym cyklu JWST, co umożliwi bardziej szczegółowe zbadanie galaktyki macierzystej kwazara J2236+0032.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
IPMU

Vega

Na ilustracji: Obraz kwazara HSC J2236+0032 na długości 3,56 mikrona. Pomniejszony obraz, obraz kwazara i obraz galaktyki macierzystej po odjęciu światła kwazara (od lewej do prawej). Skala obrazu w latach świetlnych jest podana na każdym panelu. Źródło: Ding, Onoue, Silverman i inni

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Badanie odpowiednika masywnych gwiazd we wczesnym Wszechświecie

Badania regionu formowania się gwiazd na obrzeżach Drogi Mlecznej, gdzie zachowane są warunki podobne do tych z wczesnego Wszechświata, wskazały na niewielkie różnice w rozkładzie mas gwiazd w porównaniu z tymi obserwowanymi w pobliżu Układu Słonecznego. Odkrycie to stanowi istotny krok w naszym zrozumieniu wpływu lokalnego środowiska na rozkład masy gwiazd.

Większość gwiazd tworzy gromady z innymi gwiazdami o różnych masach. Wszystkie gromady w pobliżu Słońca mają podobny rozkład mas, ale astronomowie nie byli pewni, czy ten trend jest obecny na większą skalę, czy też jest wynikiem lokalnych warunków.

Zespół badawczy pod kierownictwem Chikako Yasui, adiunkta z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii, przeprowadził badania, aby odpowiedzieć na to pytanie. Wykorzystali do tego Teleskop Subaru w celu obserwacji regionu gwiazdotwórczego Sh 2-209, zwanego dalej S209, znajdującego się na obrzeżach Drogi Mlecznej. W porównaniu do składu chemicznego gazu międzygwiazdowego w pobliżu Słońca, S209 zawiera większe stężenie czystego wodoru i mniejsze ilości ciężkich pierwiastków. Dzięki temu jest on dobrym odpowiednikiem warunków panujących we Wszechświecie 10 miliardów lat temu.

Zespół zidentyfikował dwie gromady w S209, jedną dużą i jedną małą, i odkrył, że większa gromada składa się z 1500 gwiazd. Jest to pierwszy przypadek zidentyfikowania tak dużej gromady gwiazd w zewnętrznej części Galaktyki. Dzięki wysokiej czułości teleskopu Subaru i wysokiej rozdzielczości przestrzennej, zespołowi udało się wykryć gwiazdy o masie od około 1/10 masy Słońca do 20-krotności masy Słońca. Wyniki badań, opublikowane w czasopiśmie Astrophysical Journal pokazują, że S209 ma tylko nieznacznie wyższą frakcję masywnych gwiazd w porównaniu z regionami gwiazdotwórczymi w sąsiedztwie Słońca, a także ma wyższy odsetek gwiazd mniej masywnych niż Słońce.

Wiadomo, że zewnętrzna część Drogi Mlecznej ma właściwości podobne do wczesnego Wszechświat – wyjaśnił Yasui. Nasze wyniki sugerują, że chociaż we wczesnym Wszechświecie uformowała się stosunkowo duża liczba masywnych gwiazd, ich liczba nie różni się drastycznie od liczby typowych gromad gwiazd w dzisiejszych czasach.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Subaru Telescope

Vega

Na ilustracji: Zdjęcie regionu gwiazdotwórczego Sh 2-209 na obrzeżach Drogi Mlecznej. Źródło: NAOJ

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Dyski kwazarów mogą być miejscem kolizji czarnych dziur

Nowe badania, przeprowadzone w następstwie odkrycia fal grawitacyjnych, rzucają światło na środowiska, które mogą prowadzić do łączenia się czarnych dziur.

Pierwsze fale grawitacyjne, które początkowo zostały przewidziane przez Alberta Einsteina w 1916 roku, zostały wykryte z Ziemi w 2015 roku. Jednakże, ustalenie ich pochodzenia w kosmosie pozostawało kwestią otwartą. W obecnych obserwacjach fali grawitacyjnych, mogliśmy wykryć tylko te, które pochodziły z odległych miejsc, gdzie występowały duże i bardzo gęste obiekty, takie jak czarne dziury lub gwiazdy neutronowe, znajdujące się blisko siebie. Obecnie odnotowano ponad 90 takich detekcji, choć pierwotne środowisko astrofizyczne, które pozwala tym obiektom zbliżyć się na tyle, aby emitować fale grawitacyjne, pozostaje tajemnicą.

Jednym z potencjalnych środowisk, w których czarne dziury mogą często łączyć się, są kwazary. Kwazar to gigantyczne, aktywne jądro galaktyczne napędzane przez supermasywną czarną dziurę. Wokół tej czarnej dziury wiruje gęsty dysk z gazu, poruszający się z prędkością bliską prędkości światła, co skutkuje niezwykle intensywnymi emisjami świetlnymi.

Interakcje pomiędzy czarnymi dziurami o masie gwiazdowej a dyskami gazowymi supermasywnych czarnych dziur są niezwykle złożone i wymagają przeprowadzenia skomplikowanych symulacji komputerowych w celu ich pełnego zrozumienia. W najnowszych badaniach zespół astronomów z Uniwersytetu Oksfordzkiego oraz Uniwersytetu Columbia dokonał analizy zachowania takich czarnych dziur o masie gwiazdowej, które zasiedlają dyski. Wyniki tych badań sugerują, że czarne dziury o masie gwiazdowej mogą być przyciągane do gęstych dysków gazowych kwazarów oraz być wciągane do układów podwójnych w wyniku oddziaływań grawitacyjnych między sobą a gazem w tych dyskach.

Zespół przeprowadził wysokiej rozdzielczości symulacje gazowego dysku kwazara zawierającego dwie gwiazdowe czarne dziury. Głównym celem tych symulacji było sprawdzenie, czy czarne dziury mogą zostać schwytane w grawitacyjnie związany układ podwójny, a następnie ewentualnie połączyć się w późniejszym czasie w dysku gazowym. W celu osiągnięcia tego, wykorzystano 25 milionów cząsteczek gazu do dokładnego odwzorowania skomplikowanych przepływów gazu podczas takiego spotkania. Cały proces obliczeniowy dla każdej symulacji wymagał około 3 miesięcy pracy.

Badania symulacyjne wykazują, że gaz ma zdolność do redukcji prędkości czarnych dziur podczas ich zbliżenia. Dzięki temu czarne dziury, które normalnie oddaliłyby się od siebie, pozostają związane grawitacyjnie, utrzymując orbitę wokół siebie, podczas gdy jednocześnie krążą wokół supermasywnej czarnej dziury. Taki efekt jest możliwy dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu między czarnymi dziurami a masywnymi strumieniami gazu w dysku, a także poszczególnymi „mini” dyskami otaczającymi każdą z nich.

Ponadto, bezpośredni opór gazu analogiczny do oporu powietrza również odgrywa rolę, gdy gaz „zjadany” przez czarne dziury na ich drodze zmusza je do spowolnienia. W odpowiedzi na pochłanianie energii kinetycznej czarnej dziury poprzez oddziaływanie grawitacyjne, gaz jest gwałtownie wyrzucany natychmiast po spotkaniu. Wynik ten występuje w większości symulacji i potwierdza wcześniejsze oczekiwania, że gaz znacznie ułatwia przechwytywanie czarnych dziur w związane pary.

Odkryto także, że kierunek orbity czarnych dziur ma wpływ na ich proces ewolucji. W przypadku wstecznych układów podwójnych, gdzie czarne dziury krążą wokół siebie w kierunku przeciwnym do ich orbity wokół supermasywnej czarnej dziury, mogą one zbliżyć się na tyle, że generują znaczące fale grawitacyjne. Te fale szybko rozpraszają ich orbitalną energię poprzez emisję, co prowadzi do ich gwałtownego połączenia.

Te symulacje mają na celu odpowiedzieć na dwa kluczowe pytania: czy gaz może działać jako katalizator dla powstawania układów podwójnych czarnych dziur oraz czy te układy ostatecznie mogą zbliżyć się do siebie i połączyć? Aby wyjaśnić pochodzenie obserwowanych sygnałów fal grawitacyjnych, obie odpowiedzi muszą być twierdzące.

Wyniki te są niezwykle ekscytujące, ponieważ potwierdzają, że łączenia czarnych dziur w dyskach supermasywnych czarnych dziur mogą się zdarzyć i prawdopodobnie wyjaśniają wiele lub być może większość sygnałów fal grawitacyjnych, które obserwujemy dzisiaj – powiedział prof. Bence Kocsis, współautor artykułu.

Jeśli istotna część zdarzeń, które obserwujemy obecnie i przewidujemy w przyszłości, jest wynikiem tego zjawiska, powinniśmy być w stanie dostrzec bezpośrednią zależność między kwazarami a źródłami fal grawitacyjnych na niebie – dodaje prof. Zoltán Haiman z Columbia University, kolejny współautor pracy naukowej.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
RAS

Vega

Na ilustracji: Symulacja łączących się czarnych dziur oraz mini dysków wokół każdej z czarnych dziur. Źródło: Connar Rowan i inni

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Astronomowie są świadkami energetycznej „aktywacji” czarnej dziury

Zespół astronomów dokonał odkrycia jednej z najbardziej spektakularnych „aktywacji” czarnej dziury, jakie kiedykolwiek zostały zaobserwowane.

J221951-484240, znane jako J221951, jest jednym z najjaśniejszych zjawisk przejściowych, czyli obiektów astrofizycznych, które w krótkim okresie czasu zmieniają swoją jasność. Odkrył go zespół pod kierownictwem dr Samanthy Oates, astronom z Uniwersytetu w Birmingham, we wrześniu 2019 roku, podczas poszukiwań światła elektromagnetycznego pochodzącego ze zdarzenia fali grawitacyjnej. Zespół wykorzystał teleskop ultrafioletowy i optyczny na satelicie Swift do poszukiwania kilonowej, znaku połączenia gwiazdy neutronowej z inną gwiazdą neutronową lub czarną dziurą. Kilonowa zazwyczaj wydaje się niebieska, a następnie zanika i zmienia kolor na bardziej czerwony w ciągu kilku dni. Zamiast tego, odkryli coś jeszcze bardziej niezwykłego: J221951. To zjawisko przejściowe wydawało się niebieskie, ale nie zmieniało koloru ani nie słabło szybko, jak w przypadku kilonowej.

Wyniki obserwacji dokonanych przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a wykluczają powiązanie J221951 z zarejestrowanym zdarzeniem fal grawitacyjnych. Badając widmo światła pochodzącego z J221951, dr Oates i jej zespół ustalili, że źródło znajduje się w odległości około 10 miliardów lat świetlnych. Jest to znacznie dalej niż odległość, z której wykryto sygnał fal grawitacyjnych, a mianowicie mniejsza niż 0,5 miliarda lat świetlnych. Interesującym faktem jest, że J221951 świeci niezwykle jasno, pomimo swojej dużej odległości, co czyni go jednym z najjaśniejszych zarejestrowanych zjawisk przejściowych.

Dowody wskazują, że J221951 powstało w wyniku gwałtownego pochłaniania materii przez supermasywną czarną dziurę, która była nią otoczona. Przed wykryciem J221951 obserwowano czerwoną galaktykę w tym miejscu, a położenie J221951 jest zgodne z centralnym obszarem galaktyki, gdzie naturalnie znajdowałaby się ogromna czarna dziura. Około 10 miesięcy przed jej początkowym wykryciem, zaczęła ona wykazywać bardzo intensywne światło, co sugeruje, że czarna dziura szybko pochłaniała materię po okresie względnego spokoju. Widmo UV ukazuje cechy absorpcji związane z wydobywanym na zewnątrz materiałem, która wynika z ogromnego uwolnienia energii. Te czynniki, w połączeniu z dużą jasnością, czynią to zdarzenie jednym z najbardziej dramatycznych „aktywacji” czarnej dziury, jakie kiedykolwiek zaobserwowano.

Zespół zidentyfikował dwie potencjalne przyczyny, które mogłyby wyjaśnić ekstremalne karmienie supermasywnej czarnej dziury. Po pierwsze, możliwe jest, że było to spowodowane przez zaburzenie pływowe – rozerwanie gwiazdy, gdy przechodziła ona w pobliżu supermasywnej czarnej dziury w centrum swojej galaktyki. Druga teoria zakłada, że mogło to zostać wytworzone przez aktywne jądro galaktyczne, które „zmieniło stan” z uśpionego na aktywny. Sygnał J221951 wskazywałby wtedy, że uśpiona czarna dziura w centrum galaktyki macierzystej rozpoczęła proces odżywiania się materią z dysku akrecyjnego.

Dr Matt Nicholl, członek zespołu z Queen's University w Belfaście, stwierdził: Nasza wiedza na temat różnorodnych zachowań supermasywnych czarnych dziur znacznie się poszerzyła w ostatnich latach dzięki odkryciom rozerwanych gwiazd oraz akreujących czarnych dziur o bardzo zmiennej jasności. Dodatkowo podkreślił: J221951 stanowi jeden z najbardziej ekstremalnych przykładów czarnej dziury, która nas zaskoczyła. Dalsze monitorowanie J221951 w celu dokładnego zbadania uwolnienia całkowitej energii pozwolą nam ustalić, czy miało miejsce pływowe rozerwanie gwiazdy przez szybko wirującą czarną dziurę, czy też mamy do czynienia z nowym rodzajem aktywacji AGN.

Dr N. Paul Kuin, inny członek zespołu z Mullard Space Science Laboratory na University College London, powiedział: Kluczowym odkryciem było to, że widmo UV z Hubble’a wykluczyło galaktyczne pochodzenie. To pokazuje, jak ważne jest utrzymanie w przyszłości możliwości spektrografu UV w przestrzeni kosmicznej.

Dr. Samantha Oates dodaje: W przyszłości będziemy w stanie uzyskać istotne wskazówki, które pomogą nam odróżnić scenariusze związane z rozerwaniami pływowymi oraz aktywnymi jądrami galaktyk. Na przykład, jeśli chodzi o J221951 i jego powiązanie z aktywacją AGN, możemy spodziewać się, że przestanie ono zanikać i ponownie zwiększy swoją jasność. W przypadku, gdy J221951 jest wynikiem rozerwania pływowego, oczekujemy, że będzie nadal tracić na jasności. Aby lepiej zrozumieć późniejsze zachowanie J221951, będziemy musieli kontynuować jego monitorowanie w ciągu najbliższych kilku miesięcy lub lat.

Wyniki badań zostały zgłoszone do publikacji w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
RAS

Vega

Na ilustracji: Ilustracja przedstawia gwiazdę (na pierwszym planie) doświadczającą spaghettizacji, gdy jest zasysana przez supermasywną czarną dziurę (w tle) podczas zdarzenia “rozerwania pływowego". Źródło: ESO/M. Kornmesser

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Wykorzystanie fal grawitacyjnych do polowania na ciemną materię

Międzynarodowy zespół kosmologów odkrył, że obserwacje fal grawitacyjnych z łączących się czarnych dziur mogą ujawnić prawdziwą naturę ciemnej materii.

Zespół postanowił wykorzystać zaawansowane symulacje komputerowe, aby przeprowadzić badania dotyczące wytwarzania sygnałów fal grawitacyjnych w modelowych wszechświatach, w których występują różne rodzaje ciemnej materii. Ich fascynujące odkrycia wskazują na to, że analiza zdarzeń związanych z łączeniem się czarnych dziur, wykrytych przez obserwatoria nowej generacji, może dostarczyć istotnych informacji na temat oddziaływania ciemnej materii z innymi cząstkami. To z kolei daje nowy wgląd w naturę budowy ciemnej materii.

Kosmolodzy powszechnie uważają, że ciemna materia stanowi jeden z największych brakujących elementów w naszym zrozumieniu kosmosu. Choć istnieją mocne dowody na to, że ciemna materia odpowiada za aż 85% całej materii we Wszechświecie, to wciąż nie ma jednomyślności co do jej natury. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi, między innymi czy cząstki ciemnej materii mogą oddziaływać z innymi cząstkami, takimi jak atomy czy neutrina, czy też przechodzą przez nie bez wpływu.

Jednym ze sposobów sprawdzenia tego jest obserwacja formowania się galaktyk w gęstych obłokach ciemnej materii, które nazywane są halo. Kiedy ciemna materia koliduje z neutrinami, jej struktura ulega rozproszeniu, co skutkuje mniejszą liczbą powstających galaktyk. Niestety, metoda ta ma swoje ograniczenia. Wszystkie te potencjalnie zaginione galaktyki są bardzo małe i znajdują się w dużej odległości od nas, co powoduje trudności w ich weryfikacji nawet przy użyciu najlepszych dostępnych teleskopów.

Zamiast bezpośrednio namierzać brakujące galaktyki, autorzy badania sugerują wykorzystanie fal grawitacyjnych jako pośredniej miary ich występowania. Z przeprowadzonych przez nich symulacji wynika, że w modelach, gdzie ciemna materia oddziałuje z innymi cząstkami, w odległym Wszechświecie dochodzi do znacznie mniejszej liczby fuzji czarnych dziur. Chociaż ten efekt jest zbyt subtelny, aby można go było zaobserwować przy pomocy obecnych eksperymentów z falami grawitacyjnymi, stanie się on głównym celem dla następnej generacji obserwatoriów, które obecnie są planowane.

Autorzy mają nadzieję, że ich metody przyczynią się do inspiracji nowych pomysłów na wykorzystanie danych fal grawitacyjnych do badania wielkoskalowej struktury Wszechświata oraz rzucą nowe światło na tajemniczą naturę ciemnej materii.

Współautor badania, dr Sownak Bose z Uniwersytetu Durham, powiedział: Ciemna materia nadal pozostaje jedną z największych tajemnic w naszym poznaniu Wszechświata. Dlatego szczególnie istotne jest kontynuowanie identyfikacji nowych metod badania modeli ciemnej materii, poprzez łączenie zarówno istniejących, jak i nowych sond, aby w pełni przetestować przewidywania tych modeli. Astronomia fal grawitacyjnych stanowi cenną drogę do lepszego zrozumienia nie tylko samej ciemnej materii, ale również procesów formowania się i ewolucji galaktyk w szerszym kontekście.

Markus Mosbech z Uniwersytetu w Sydney, inny współautor, dodał: Fale grawitacyjne stanowią niezwykłą szansę do badania wczesnego Wszechświata, gdyż przemieszczają się przez niego bez zakłóceń, a nowej generacji interferometry będą dostatecznie wrażliwe, by wykrywać pojedyncze zdarzenia nawet na ogromnych odległościach.

Inny członek zespołu badawczego, prof. Mairi Sakellariadou z King's College London, powiedział: Dane związane z trzecią generacją fal grawitacyjnych otworzą nowe i niezależne możliwości testowania obecnego modelu opisującego ewolucję naszego Wszechświata. Co więcej, te informacje rzucą światło na nadal nieznaną naturę ciemnej materii.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
RAS

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna przedstawiająca dwie łączące się czarne dziury podobne do tych wykrytych przez LIGO. Źródło: LIGO/Caltech/MIT

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Zmarszczki czarnej dziury mogą pomóc ustalić ekspansję Wszechświata

Echa światła pochodzącego ze strumieni z czarnych dziur mogą stanowić metodę określania odległości do tych obiektów.

Echa światła, które wydobywają się ze strumieni emitowanych przez czarne dziury, stanowią nowatorską metodę określania odległości do tych egzotycznych obiektów oraz badania dużej mierze niezbadanej populacji znajdującej się w centrum Galaktyki. Ponadto, ta technika może przyczynić się do lepszego zrozumienia tempa ekspansji Wszechświata. Zespół naukowców z University of Newcastle, na czele z badaczem i członkiem tego zespołu, Patrickiem O'Neillem, przedstawił swoje odkrycie na konferencji National Astronomy Meeting w Cardiff. Ich prace skupiły się na archetypowej czarnej dziurze Cygnus X-1.

Większość czarnych dziur to zwarte pozostałości gwiazd, które zakończyły swoje życie w spektakularnej eksplozji supernowej. Charakteryzują się one niezwykle silnym polem grawitacyjnym, które nawet światłu uniemożliwia ucieczkę, co właśnie przyczynia się do ich nazwania „czarnymi”. Mimo tego z pozoru niewidocznego charakteru, ich wpływ na otoczenie jest wyjątkowo wyraźny. Otacza je dysk, w którym skoncentrowana jest materia krążąca wokół czarnej dziury, nagrzewając się do bardzo wysokich temperatur. Taka gorąca materia stanowi źródło intensywnego promieniowania rentgenowskiego. Ponadto, wiele z tych czarnych dziur jest związanych z potężnymi strumieniami, które wyrzucają gaz i pył na olbrzymie odległości w przestrzeń kosmiczną.

Odległość do większości czarnych dziur jest obliczana w oparciu o ich jasność rentgenowską oraz pomiary związane z ich masą, które można wywnioskować na podstawie szybkości poruszającej się materii wokół nich. Jednak O’Neill i pozostali członkowie zespołu przyjęli zupełnie odmienne podejście.

Światło emitowane przez strumienie czarnej dziury jest rozprzestrzeniane we wszystkich kierunkach, co pozwala mu dotrzeć do dysku. Podobnie jak w przypadku lustra, dysk odbija pewną część docierającego światła. Począwszy od najbardziej wewnętrznej części dysku, odbite światło faluje na zewnątrz, ponieważ światło emitowane przez strumień potrzebuje więcej czasu, aby dotrzeć do zewnętrznych części dysku. Ten efekt, znany jako „pogłos” światła, przypomina echo dźwięku.

Oznacza to, że obserwujemy światło płynące z tego strumienia na dwa różne sposoby: pochodzące bezpośrednio od niego oraz odbite od dysku. Dzięki jednoczesnemu monitorowaniu jasności obu tych rodzajów światła, możemy wnioskować o odległości strumienia od nas. To pozwala astronomom określić także, jak blisko wewnętrznej granicy dysku znajduje się czarna dziura. Kiedy zbliżamy się do pola grawitacyjnego czarnej dziury, kształt dysku ulega zaburzeniu.

Monitorując światło emitowane przez strumień czarnej dziury i dysk otaczający ją, zespół jest w stanie obliczyć rozmiar dysku oraz ułamek światła, które zostaje odbite. Ta precyzyjna analiza pozwala na bezwzględny pomiar jasności dysku oraz dokładnie określa odległość pomiędzy czarną dziurą a dyskiem.

Gęste obłoki gazu i pyłu często stanowią barierę dla światła podczerwonego, widzialnego i UV emitowanego z centrów galaktyk, w tym naszej, co ogranicza nasze obserwacje. W przeciwieństwie do tego, promieniowanie rentgenowskie może swobodnie przenikać przez te obszary, co otwiera możliwość pomiaru odległości do supermasywnych czarnych dziur. Jeśli uda się to osiągnąć, będziemy mieć nową metodę określenia tempa ekspansji Wszechświata, które pozostaje nierozstrzygnięte nawet po 94 latach od odkrycia samej ekspansji.

Jest to także potężne narzędzie do badania populacji czarnych dziur w centrum Galaktyki. Do tej pory astronomowie głównie skupiali się na obserwowaniu czarnych dziur, które charakteryzowały się stosunkowo niską masą i znajdowały się daleko od płaszczyzny Galaktyki, gdzie większość gwiazd się znajduje (nasza Galaktyka ma spiralne ramiona w płaskim dysku, rozciągające się z centralnej poprzeczki).

Czasami czarna dziura i masywna gwiazda krążą wokół siebie w układzie podwójnym. W przypadku, gdy masywna gwiazda eksploduje jako supernowa, może to spowodować wyrzucenie czarnej dziury poza płaszczyznę galaktyki. Przy większej masie czarnej dziury, jej przyspieszenie jest mniejsze, co skutkuje tym, że cięższe czarne dziury znajdują się bliżej płaszczyzny galaktyki oraz w jej centrum.

O’Neill powiedział: Często skupiamy się na badaniu odległych galaktyk, aby pozyskać informacje na temat Drogi Mlecznej. Ta zaawansowana technika pozwala na sondowanie wcześniej niedostępnych obszarów centrum naszej Galaktyki oraz zrozumienie sposobu, w jaki czarne dziury gromadzą materię. Co równie ekscytujące, możemy również wspomóc ustalenie tempa rozszerzania się Wszechświata, co pozwoli nam lepiej zrozumieć jego przyszłość.

Zespół chce stworzyć obraz populacji czarnych dziur w centrum Galaktyki. Mogłoby to pomóc w znalezieniu obiektów takich jak czarne dziury o masie pośredniej, obiektów powstałych w wyniku połączenia się gwiazdowych czarnych dziur, a także zrobić krok na drodze do uformowania supermasywnych czarnych dziur o olbrzymich rozmiarach, które znajdują się w centrum większości galaktyk.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
RAS

Vega

Na ilustracji: Schemat procesu odbicia w czarnej dziurze Cygnus X-1. Źródło: Patrick O’Neill. Zdjęcie tła: NASA/JPL-Caltech

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Naukowcy odkryli najjaśniejszy w historii rozbłysk gamma

Trzech badaczy odkryło rozbłysk gamma w konstelacji Strzelca, który należy do najjaśniejszych w historii.

Uważa się, że odkryty rozbłysk gamma (GRB), pochodzący z odległości 2,4 miliarda lat świetlnych, jest rezultatem zapadnięcia się masywnej gwiazdy, któremu towarzyszy eksplozja supernowej, prowadząca do powstania czarnej dziury.

Dr Peter Veres, adiunkt z CSPAR, wspólnie z dr. Michaelem S. Briggsem, głównym naukowcem i zastępcą dyrektora CSPAR, oraz Stephenem Lesage'em, asystentem naukowym z UAH, uczestniczyli w badaniach dotyczących odkrycia i analizy rozbłysku gamma. W ramach swojej współpracy naukowcy korzystali z Gamma-ray Burst Monitor (GBM), znajdującego się na pokładzie Kosmicznego Teleskopu Promieniowania Gamma Fermi, który umieszczony jest na niskiej orbicie okołoziemskiej. Dzięki temu instrumentowi możliwe jest obserwowanie całego nieba w zakresie promieniowania gamma, niezakłóconego przez ziemską atmosferę, co pozwala na aktywne badanie rozbłysków gamma w ramach głównego programu badawczego.

Ten rozbłysk gamma był niezwykle jasny. Spodziewaliśmy się, że takie zjawisko możemy zobaczyć tylko raz na około 10 000 lat – powiedział dr Veres. Rutynowo wykrywamy GRB w tempie około pięciu na tydzień i zwracamy uwagę, czy któryś z nich jest w jakiś sposób wyjątkowy. Ten był tak jasny, że instrument nie był w stanie nadążyć za dużą liczbą przychodzących fotonów. Większość pracy polegała na ustaleniu, jak zrekonstruować utracone zliczenia.

Rozbłyski gamma pochodzą z losowych kierunków nieba, dlatego GBM musi nieustannie obserwować jak największą część przestrzeni kosmicznej. GBM składa się z 12 detektorów wykonanych z jodku sodu, które służą do wykrywania promieni rentgenowskich i niskoenergetycznych promieni gamma, oraz dwóch detektorów wykonanych z germanianu bizmutu, przeznaczonych do rejestrowania wysokoenergetycznego promieniowania gamma. Gdy promienie gamma trafiają na te detektory, oddziałują z kryształami znajdującymi się w instrumencie. Im bardziej energetyczny jest promień gamma, tym więcej światła jest generowane.

Poprzez analizę kryształów emitujących światło, GBM jest w stanie określić kierunek, z którego pochodzą rozbłyski gamma. Od czasu uruchomienia, instrument Fermi wykrył ponad 3500 takich zjawisk, a rozbłysk oznaczony jako 221009A jest dotychczas najjaśniejszym spośród nich.

Dr. Veres wyjaśnia: Podczas rozbłysku gamma jesteśmy świadkami zagłady masywnej gwiazdy o masie około 30 razy większej niż Słońce, oraz powstania czarnej dziury. To zjawisko towarzyszy wystrzeleniu bardzo szybkiego strumienia, który osiąga prędkość zbliżoną do prędkości światła i generuje właśnie rozbłysk gamma. Z biegiem czasu wybuchy gamma (GRB) są widoczne także na innych długościach fal, od fal radiowych i optycznych, aż po bardzo wysokoenergetyczne promieniowanie gamma, które nazywane jest poświatą GRB. Należy podkreślić, że ten ostatni rozbłysk był tak jasny, że poświata pojawiła się w detektorze Gamma-ray Burst Monitor, co jest zjawiskiem rzadkim. Dzięki temu mogliśmy go śledzić przez prawie trzy godziny.

GRB 221009A to jednocześnie jeden z najjaśniejszych i prawdopodobnie najbardziej energetycznych rozbłysków gamma (GRB), odkrytych do tej pory. Szczegółowy opis tego znaleziska zostanie przedstawiony w nadchodzącym artykule.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
University of Alabama in Huntsville

Vega

Na ilustracji: GRB 221009A wystąpił około 2,4 miliarda lat temu w kierunku konstelacji Strzelca. Źródło: Dzięki uprzejmości Międzynarodowego Obserwatorium Gemini

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Zagadka galaktyki bez ciemnej materii

Badania przeprowadzone przez międzynarodowy zespół naukowców dostarczyły pierwszych dowodów na istnienie masywnej galaktyki bez ciemnej materii. Wynik ten stanowi wyzwanie dla obecnego standardowego modelu kosmologicznego.

Zespół naukowców, kierowany przez Sebastiéna Comeróna z IAC i Uniwersytetu La Laguna (ULL), odkrył, że galaktyka NGC 1277 nie zawiera ciemnej materii. Jest to pierwszy przypadek, gdy masywna galaktyka (mając masę kilkakrotnie większą niż Droga Mleczna) nie wykazuje dowodów na istnienie tego niewidzialnego składnika Wszechświata. Wynik ten nie pasuje do obecnie akceptowanych modeli kosmologicznych, które uwzględniają ciemną materię – powiedział Comerón. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Astronomy and Astrophysics.

W aktualnym standardowym modelu kosmologicznym masywne galaktyki zawierają znaczne ilości ciemnej materii – rodzaju materii, która nie oddziałuje w taki sam sposób jak zwykła materia. Jedynym dowodem na jej istnienie jest silne przyciąganie grawitacyjne, które wywiera na gwiazdy i gaz w jej pobliżu, co można obserwować.

NGC 1277 jest prototypem „galaktyki reliktowej”, czyli galaktyki, która nie oddziałuje w żaden sposób ze swoimi sąsiadkami. Takie galaktyki są niezwykle rzadkie i uważane są za pozostałości gigantycznych galaktyk powstałych we wczesnych dniach istnienia Wszechświata.

Znaczenie galaktyk reliktowych w zrozumieniu, jak powstały pierwsze galaktyki, było powodem, dla którego zdecydowaliśmy się obserwować NGC 1277 za pomocą spektrografu pola – wyjaśnił Comerón. Na podstawie widm wykonaliśmy mapy kinematyczne, które pozwoliły nam opracować rozkład masy w galaktyce w promieniu około 20 000 lat świetlnych – dodaje.

Zespół odkrył, że rozkład masy w NGC 1277 wynika wyłącznie z rozkładu gwiazd. Na tej podstawie zdołali wywnioskować, że w obserwowanym promieniu nie może być więcej niż 5% ciemnej materii, chociaż obserwacje są zgodne z całkowitym brakiem tego składnika.

Jednakże, zgodnie z obecnymi modelami kosmologicznymi, przewidywana masa ciemnej materii w galaktyce NGC 1277 powinna wynosić co najmniej 10% całkowitej masy, a maksymalnie 70%. Ta rozbieżność między obserwacjami a oczekiwaniami stanowi zagadkę, a może nawet wyzwanie dla modelu standardowego – zauważył badacz Ignacio Trujillo, związany z IAC i ULL, który uczestniczył w analizie.

Artykuł przedstawia dwa potencjalne wyjaśnienia braku ciemnej materii w NGC 1277. Anna Ferré-Mateu, badaczka z IAC i ULL, która również brała udział w badaniu, komentuje te możliwości. Pierwsza z nich sugeruje, że oddziaływanie grawitacyjne z otaczającym ośrodkiem w gromadzie galaktyk, w której znajduje się ta galaktyka, mogło pozbawić ją ciemnej materii. Druga możliwość zakłada, że ciemna materia została wyparta z układu, gdy galaktyka uformowała się w wyniku połączenia fragmentów protogalaktyki, co doprowadziło do powstania galaktyki reliktowej.

Dla autorów badania żadne z tych wyjaśnień nie jest w pełni satysfakcjonujące. Zagadka, w jaki sposób masywna galaktyka może powstać bez ciemnej materii, pozostaje nierozwiązana – zaznacza Comerón. W celu dalszych badań nad tym tajemniczym zjawiskiem, zespół planuje przeprowadzić nowe obserwacje, wykorzystując instrument WEAVE zamontowany na Teleskopie Williama Herschela (WHT) w Obserwatorium Roque de los Muchachos na La Palmie.

Jeśli potwierdzi się wynik, że NGC 1277 nie zawiera ciemnej materii, wzbudzi to wątpliwości co do alternatywnych modeli ciemnej materii, a mianowicie teorii zakładających modyfikację grawitacji. Według tych teorii większa część przyciągania grawitacyjnego w galaktykach wynika z niewielkiej zmiany prawa grawitacji na dużych skalach.

Chociaż ciemna materia w konkretnej galaktyce może być nieobecna, zmodyfikowane prawo grawitacji musi działać uniwersalnie, nie mogą istnieć wyjątki. Dlatego też, galaktyka pozbawiona ciemnej materii przeczyłaby istnieniu tego typu alternatyw dla ciemnej materii – zauważa Trujillo.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
IAC

Vega

Na ilustracji: Wolna od ciemnej materii galaktyka NGC 1277, położona w pobliżu centrum gromady Perseusza, 240 milionów lat świetlnych od Ziemi. Źródło: NASA, ESA oraz M. Beasley (IAC)

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Nieoczekiwanie spokojna i odległa gromada galaktyk

Astronomowie dokonali odkrycia najodleglejszej jak dotąd „zrelaksowanej” gromady galaktyk, która nie uległa zakłóceniom związanym ze zderzeniami z innymi gromadami galaktyk. To przełomowe odkrycie otwiera nowe perspektywy w badaniach dotyczących powstawania gigantycznych struktur we Wszechświecie oraz pozwala zgłębić tajemnice kształtu obecnego stanu kosmosu.

Aby znaleźć tę odległą i młodą gromadę galaktyk, zespoły naukowców wykorzystały dane z Obserwatorium Chandra, Kosmicznego Teleskopu Spitzera, Teleskopu Bieguna Południowego oraz projektu Dark Energy Survey w Chile. Wyniki zostały przedstawione w serii trzech artykułów.

Gromada galaktyk, znana jako SPT-CL J2215-3537 (lub SPT2215), znajduje się w odległości około 8,4 miliarda lat świetlnych od Ziemi i jest widoczna, gdy Wszechświat ma zaledwie 5,3 miliarda lat. Te dane sugerują, że SPT2215 miała przewagę podczas swojego formowania się w porównaniu do innych gromad o podobnych rozmiarach, a przez ostatni miliard lat „odpoczywała”, co pozwoliło jej się zrelaksować. Astronomowie szacują, że masa tej gromady jest około 700 bilionów razy większa od masy Słońca.

Gromady galaktyk są zbiorami dziesiątek do setek galaktyk, które są połączone ze sobą za pomocą ogromnych ilości gorącego gazu i ciemnej materii. Te struktury są utrzymywane razem przez grawitację. W gromadach galaktyk, przestrzeń między poszczególnymi galaktykami wypełniona jest gorącym gazem o temperaturze milionów stopni, który emituje promieniowanie rentgenowskie. Ten gaz stanowi istotny wskaźnik dla badaczy, umożliwiając im analizę i zrozumienie procesów zachodzących wewnątrz gromad.

Gromady galaktyk powiększają się wraz z upływem czasu poprzez połączenia z innymi gromadami galaktyk. Te połączenia powodują zakłócenia w gazie znajdującym się wewnątrz gromady, takie jak asymetrie lub wyraźne cechy. Jednak jeśli gromada ma wystarczająco dużo czasu, aby „odpocząć” bez kolejnych połączeń, gaz może przybrać gładki, spokojny wygląd.

Do tej pory nie widzieliśmy zrelaksowanej gromady galaktyk tak odległej jak SPT2215 – powiedział Michael Calzadilla z Massachusetts Institute of Technology (MIT), główny autor najnowszej z trzech publikacji, w których potwierdzono zrelaksowany charakter tej gromady oraz opisano inne istotne cechy z nią związane.

W centrum SPT2215 znajduje się duża galaktyka, która zawiera ogromną czarną dziurę w swoim jądrze. Badania przeprowadzone przez Calzadillę odkryły znaczną ilość nowo powstających gwiazd w tej galaktyce. Proces tworzenia się nowych gwiazd w centralnej galaktyce gromady jest napędzany przez ochładzanie gorącego gazu, które ma miejsce, gdy gromada staje się zrelaksowana.

Na tempo ochładzania się gazu i tworzenia gwiazd w gromadzie wpływa aktywność olbrzymiej czarnej dziury znajdującej się w jej centrum. Jeśli czarna dziura generuje zbyt wiele potężnych wybuchów, większość gazu w gromadzie nie jest w stanie odpowiednio się ochłodzić, co uniemożliwia formowanie się nowych gwiazd. Jednak w przypadku SPT2215, w odróżnieniu od większości zrelaksowanych gromad obserwowanych przez teleskop Chandra, wydaje się, że olbrzymia czarna dziura nie hamuje tego procesu ochładzania.

Wygląda na to, że czarna dziura w SPT2215 jest wystarczająco cicha, aby umożliwić rozkwit procesów gwiazdotwórczych – powiedział Michael McDonald, również z MIT, który jest współautorem wszystkich trzech artykułów.

Inną istotną cechą gromady SPT2215 jest izolacja jej galaktyki centralnej. W promieniu około 600 000 lat świetlnych nie ma innych galaktyk, które byłyby równie jasne lub rozległe. To sugeruje, że gromada nie doświadczyła połączenia z inną gromadą w ciągu ostatniego miliarda lat, co stanowi kolejne potwierdzenie, że SPT2215 jest w stanie zrelaksowania.

Naukowcy nie byli pewni, czy uda im się znaleźć gromadę galaktyk, która była zrelaksowana w tej epoce Wszechświata, ponieważ zwykle wciąż przechodzą one zawirowania związane z łączeniem się z innymi gromadami lub grupami galaktyk, gdy zwiększają swoje rozmiary.

Fakt, że gromada jest tak masywna, tak wcześnie we Wszechświecie, sugeruje naprawdę ekscytującą, szybką historię formowania się – powiedziała Lindsey Bleem z Narodowego Laboratorium Argonne Departamentu Energii USA w Lemont w stanie Illinois, której zespół po raz pierwszy doniósł o wykryciu gromady w 2020 roku, w pierwszym z trzech artykułów. Jednak fakt, że jest zrelaksowana, sugeruje coś wręcz przeciwnego. To tak, jakby znaleźć czystą kuchnię zaraz po kolacji.

Wyniki dotyczące SPT2215 dobrze pasują do tych uzyskanych przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który pokazał galaktyki formujące się w bardzo młodym wieku.

Zrelaksowane gromady, takie jak SPT2215, są jednym z drogowskazów, które zostały wykorzystane do pomiaru ekspansji Wszechświata – powiedział Adam Mantz z Uniwersytetu Stanforda, który jako pierwszy poinformował o zrelaksowanym statusie SPT2215, korzystając z danych Chandra w 2022 r., w drugim artykule. Dodanie odległych obiektów takich jak ten do naszej próbki zrelaksowanych gromad pozwala nam lepiej ograniczyć przyspieszenie kosmicznej ekspansji i właściwości ciemnej energii, która ją napędza.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
Chandra

Vega

Na ilustracji: Ten złożony obraz przedstawia SPT-CL J2215-3537 w promieniowaniu rentgenowskim (niebieski) oraz w połączeniu światła ultrafioletowego, optycznego i podczerwonego (cyjan i pomarańczowy). Źródło: Promieniowanie X: NASA/CXC/MIT/M. Calzadilla; UV/Optyczne/bliska podczerwień/podczerwień: NASA/STScI/HST; Obróbka zdjęcia: N. Wolk

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Odkryto fascynujące dowody na “niezwykłą” ewolucję gwiazd

Astronomowie odkryli dowody na istnienie niespodziewanie silnych pól magnetycznych na powierzchni niektórych gwiazd, co stanowi wyzwanie dla obecnych modeli ich ewolucji.

W gwiazdach, takich jak nasze Słońce, magnetyzm powierzchniowy jest ściśle związany z rotacją gwiazdy. Silne pola magnetyczne są obserwowane w obszarach plam słonecznych, które są rejonami magnetycznymi na powierzchni gwiazdy, i wpływają na różne zjawiska związane z pogodą kosmiczną. Dotychczas uważano, że gwiazdy o niskiej masie – czyli ciała niebieskie o masie mniejszej niż nasze Słońce, które mogą obracać się bardzo szybko lub stosunkowo wolno – wykazują bardzo niski poziom aktywności magnetycznej. Dlatego uważano, że są one idealnymi gwiazdami macierzystymi dla potencjalnie zamieszkiwanych egzoplanet.

W nowym badaniu opublikowanym 17 lipca 2023 roku w The Astrophysical Journal Letters, naukowcy z The Ohio State University przedstawiają nowy wewnętrzny mechanizm, który nazywają oddzieleniem rdzenia od otoczki. Mechanizm ten polega na tym, że powierzchnia i jądro gwiazdy zaczynają obracać się z tą samą prędkością, a następnie oddalają się od siebie. Według badaczy, ten proces może być odpowiedzialny za wzmocnienie pól magnetycznych na chłodnych gwiazdach. Jest to istotne odkrycie, ponieważ intensyfikacja pól magnetycznych może prowadzić do wzmożonego promieniowania przez miliardy lat. Ma to znaczenie dla potencjalnego zamieszkania egzoplanet znajdujących się w pobliżu tych gwiazd.

Badania były możliwe dzięki nowatorskiej technice opracowanej przez dwoje członków zespołu, która ma na celu wykorzystanie i scharakteryzowanie pomiarów plam gwiazdowych i pola magnetycznego.

Chociaż gwiazdy o małej masie są najczęściej występującymi gwiazdami w Drodze Mlecznej i często posiadają planety, naukowcy wiedzą o nich stosunkowo niewiele, powiedziała Lyra Cao, główna autorka pracy.

Przez dziesięciolecia zakładano, że procesy fizyczne zachodzące w małomasywnych gwiazdach odpowiadają procesom zachodzącym w gwiazdach typu słonecznego. Z uwagi na to, że gwiazdy stopniowo tracą swój moment pędu w wyniku rotacji, astronomowie mogą wykorzystać wirowanie jako narzędzie do lepszego zrozumienia natury procesów fizycznych w gwiazdach oraz ich interakcji z towarzyszami i otoczeniem. Niemniej jednak istnieją sytuacje, w których zegar rotacji gwiazd zdaje się zatrzymać, jak zauważa Cao.

Wykorzystując dostępne publiczne dane z Sloan Digital Sky Survey (SDSS), zespół naukowców przeprowadził badania na próbce 136 gwiazd w gromadzie M44, znanej również jako Praesepe. Ich odkrycie wykazało, że pola magnetyczne w gwiazdach o niskiej masie w tym obszarze są znacznie silniejsze niż można to wyjaśnić przy użyciu obecnych modeli. Badanie to daje nowe spojrzenie na fizykę gwiazd o małej masie oraz rzuca wyzwanie istniejącym teoriom.

Wcześniejsze badania gromady M44 wykazały obecność wielu gwiazd, które nie zgadzają się z obecnymi teoriami ewolucji rotacyjnej. Jednak jednym z najbardziej interesujących odkryć zespołu Cao było ustalenie, że pola magnetyczne tych gwiazd mogą być niezwykle silne, przewyższając przewidywania obecnych modeli. To odkrycie rzuca nowe światło na nasze zrozumienie ewolucji i dynamiki tych gwiazd oraz stawia wyzwanie dla istniejących teorii.

Dostrzeżenie związku między wzmocnieniem magnetycznym a anomaliami rotacyjnymi było niezwykle ekscytujące – powiedziała Cao. Wskazuje to, że w grę może wchodzić jakaś interesująca fizyka. Zespół postawił również hipotezę, że proces synchronizacji jądra i otoczki gwiazdy może indukować magnetyzm występujący w tych gwiazdach, który miałby zupełnie inne pochodzenie niż ten obserwowany na Słońcu.

Znajdujemy dowody na to, że istnieje inny rodzaj mechanizmu dynamo napędzającego magnetyzm tych gwiazd – powiedziała Cao. Ta praca pokazuje, że fizyka gwiazd może mieć zaskakujące implikacje dla innych dziedzin.

Według badania, odkrycia te mają ważne implikacje dla naszego zrozumienia astrofizyki, w szczególności w poszukiwaniu życia na innych planetach. Gwiazdy doświadczające tego zwiększonego magnetyzmu prawdopodobnie będą uderzać w swoje planety wysokoenergetycznym promieniowaniem – powiedziała Cao. Przewiduje się, że efekt ten może trwać miliardy lat na niektórych gwiazdach, więc ważne jest, aby zrozumieć, co może to zrobić z naszymi wyobrażeniami o przydatności do zamieszkania.

Odkrycia zespołu Cao, choć rzucają nowe światło na nasze rozumienie ewolucji gwiazd, nie powinny ograniczać poszukiwań życia na egzoplanetach. W rzeczywistości, dzięki dalszym badaniom, odkrycia zespołu mogą pomóc nam uzyskać lepszy wgląd w to, gdzie powinniśmy szukać układów planetarnych zdolnych do posiadania życia. Cao jest przekonana, że odkrycia jej zespołu będą miały istotne znaczenie dla rozwoju lepszych symulacji i teoretycznych modeli ewolucji gwiazd. Dzięki temu będziemy mogli jeszcze lepiej zrozumieć procesy zachodzące w gwiazdach i ich wpływ na powstawanie życia na innych planetach.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
OSU

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna ewolucji gwiazdy i jej egzoplaneta. Źródło: Getty Images

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm

Astronomowie ujawniają nowe cechy galaktycznych czarnych dziur

Czarne dziury to najbardziej tajemnicze obiekty we Wszechświecie, o właściwościach, które brzmią jak prosto z filmu science fiction.

Czarne dziury o masie około 10 razy większej niż masa Słońca manifestują swoje istnienie poprzez pochłanianie materii z towarzyszących im gwiazd. W pewnych przypadkach, w centrach niektórych galaktyk, gromadzą się supermasywne czarne dziury, tworząc jasne i zwarte obszary znane jako kwazary, których masa równa jest milionom lub nawet miliardom mas naszego Słońca. Istnieje również podgrupa czarnych dziur o masie gwiazdowej, które akrecyjnie zbierają materię i wyrzucają strumienie silnie namagnesowanej plazmy. Nazywane są one mikrokwazarami.

Międzynarodowy zespół naukowców opublikował artykuł w czasopiśmie Nature z dnia 26 lipca 2023 roku, informujący o specjalnej kampanii obserwacyjnej poświęconej badaniu galaktycznego mikrokwazara o nazwie GRS 1915+105. W ramach tej kampanii, zespół odkrył i ujawnił nowe właściwości tego układu mikrokwazarów, które nigdy wcześniej nie były obserwowane. To odkrycie przyczynia się do naszego lepszego zrozumienia tych fascynujących obiektów i otwiera nowe perspektywy w badaniach mikrokwazarów.

Korzystając z ogromnego radioteleskopu Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) w Chinach, astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali sygnał oscylacji kwaziperiodycznych (QPO) w paśmie radiowym, pochodzący z dowolnego układu mikrokwazarów. QPO to zjawisko, które astronomowie wykorzystują do lepszego zrozumienia funkcjonowania układów gwiazdowych, takich jak czarne dziury. Dotychczas obserwowano je głównie w promieniowaniu rentgenowskim pochodzącym od mikrokwazarów, ale ich obecność w emisji radiowej układu jest wyjątkowa i stanowi nowe odkrycie.

Sygnał kwaziperiodyczny o niezwykłej naturze ma przybliżony okres wynoszący 0,2 sekundy, występujący przy częstotliwości około 5 herców – powiedział profesor Wei Wang z chińskiego Uniwersytetu Wuhan, który kierował zespołem odpowiedzialnym za odkrycie. Tego rodzaju sygnał nie jest powszechny i pojawia się tylko w szczególnych warunkach fizycznych. Nasz zespół miał szczęście zaobserwować ten sygnał dwukrotnie – po raz pierwszy w styczniu 2021 roku, a następnie ponownie w czerwcu 2022 roku.

Według Zhanga, dyrektora Nevada Center for Astrophysics i jednego z autorów badania, ta niezwykła cecha może stanowić pierwszy dowód na aktywność „strumienia” wystrzelonego przez galaktyczną czarną dziurę o masie gwiazdowej. W niektórych warunkach pewne układy podwójne czarnych dziur wystrzeliwują strumień, który składa się z równoległych wiązek naładowanej materii i pola magnetycznego, poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła.

Typowo, w układach z akreującymi czarnymi dziurami, badanie promieniowania rentgenowskiego skupia się na dysku akrecyjnym otaczającym czarną dziurę – wyjaśnił Zhang. Szczegółowy mechanizm generowania modulacji czasowej w relatywistycznym strumieniu nie został jeszcze zidentyfikowany, ale istnieje kilka potencjalnych teorii. Jedną z możliwości jest, że strumień podlega precesji, czyli regularnemu obracaniu się w różnych kierunkach, a następnie powracaniu do pierwotnego kierunku co około 0,2 sekundy.

Zhang wyjaśnił, że niewspółosiowość między osią wirowania czarnej dziury a jej dyskiem akrecyjnym może być odpowiedzialna za ten efekt, który jest naturalną konsekwencją zakrzywienia czasoprzestrzeni w pobliżu szybko wirującej czarnej dziury.

Jednak istnieją również inne możliwości, a dalsze obserwacje tego i innych galaktycznych źródeł mikrokwazarów dostarczą więcej wskazówek, które pomogą nam zrozumieć te tajemnicze sygnały QPO – wyjaśnił Zhang.

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Źródło:
University of Nevada

Vega

Na ilustracji: Wizja artystyczna mikrokwazara uchwyconego przez radioteleskop FAST. Źródło: Dzięki uprzejmości profesora Wei Wanga z Uniwersytetu Wuhan

_________________
Pozdrawiam,
Agnieszka Nowak
Prezes O/Kraków PTMA, krakow[at]ptma.pl, agnieszka.nowak[at]ptma.pl PTMA Kraków, Facebook
Vega
Urania
Astronarium
Sky Watcher 127/1500, EOS 7D, Canon 15-85, Canon 75-300, Canon 50/1.8, Samyang Fish Eye 8mm