Pierwsze dane z misji kosmicznej XRISM zapewniają nowe spojrzenie na supermasywne czarne dziury

Jednak bardziej ekscytujący niż dane jest fakt, że stojący za nim długo oczekiwany satelita – X-Ray Imaging and Spectrscopic Mission (XRISM) – dopiero zaczyna dostarczać tak niezrównanych spostrzeżeń.

„Znaleźliśmy odpowiednie narzędzie do opracowania dokładnego obrazu niezbadanych rzędów wielkości wokół supermasywnych czarnych dziur” – powiedział o XRISM Jon Miller, profesor astronomii na Uniwersytecie Michigan.

„Zaczynamy dostrzegać wskazówki na temat tego, jak naprawdę wygląda to środowisko”.

Japońska Agencja Badań Kosmicznych (JAXA), która nawiązała współpracę z NASA i Europejską Agencją Kosmiczną w celu stworzenia i wystrzelenia XRISM, ogłosiła nowe wyniki, które również opublikowano w czasopiśmie Listy z dziennika astrofizycznego .

Miller był głównym autorem tego badania. On i ponad 100 współautorów z całego świata badali tak zwane aktywne jądro galaktyczne, które obejmuje supermasywną czarną dziurę i jej ekstremalne otoczenie.

Aby to osiągnąć, wykorzystali niezrównaną zdolność XRISM do gromadzenia i pomiaru widm promieniowania rentgenowskiego emitowanego przez zjawiska kosmiczne.

„To naprawdę ekscytujące, że jesteśmy w stanie zebrać widma promieniowania rentgenowskiego o tak niespotykanej wysokiej rozdzielczości, szczególnie dla najgorętszych plazm we wszechświecie” – powiedziała Lia Corrales, adiunkt astronomii na UM i współautorka obu publikacji XRISM.

„Widma są tak bogate w informacje, że z pewnością będziemy pracować nad pełną interpretacją pierwszych zbiorów danych przez wiele lat”.

Dyski akrecyjne z niespodzianką

Entuzjaści eksploracji kosmosu mogą wiedzieć, że Obserwatorium Rentgenowskie Chandra – które NASA nazywa swoim flagowym teleskopem rentgenowskim – obchodziło niedawno 25. rocznicę działania w kosmosie.

Mniej znane jest to, że w ciągu ostatnich 25 lat międzynarodowa grupa naukowców, inżynierów i urzędników agencji kosmicznych próbowała wystrzelić podobnie wyrafinowane, ale inne misje rentgenowskie.

Celem tych prób było dostarczenie wysokiej jakości, uzupełniających danych, aby lepiej zrozumieć, co widziała Chandra i inne teleskopy. XRISM dostarcza teraz te dane.

Dzięki zestawowi danych Miller, Corrales i ich współpracownicy ugruntowali hipotezę dotyczącą struktur zwanych dyskami akrecyjnymi w pobliżu supermasywnych czarnych dziur w aktywnych jądrach galaktycznych.

Dyski te można traktować jak płyty winylowe wykonane z gazu i innych luźnych cząstek z galaktyki wirowanej pod wpływem spektakularnej grawitacji czarnych dziur w ich środkach. Badając dyski akrecyjne, badacze mogą lepiej zrozumieć, co dzieje się wokół czarnej dziury i jak wpływa to na cykl życia jej galaktyki macierzystej.

Badając centrum galaktyki zwanej NGC 4151, oddalonej o ponad 50 milionów lat świetlnych, współpraca XRISM potwierdziła, że ​​kształt dysku nie jest tak prosty, jak kiedyś sądzono.

„Widzimy, że płyta nie jest płaska. Jest skrzywiona lub wypaczona” – powiedział Miller. „Wydaje się również, że staje się grubszy na zewnątrz”.

Chociaż sugestie dotyczące tej bardziej złożonej geometrii pojawiły się w innych danych z ostatnich dwóch i pół dekady, wyniki XRISM są na to najsilniejszym bezpośrednim dowodem.

„Mieliśmy wskazówki” – powiedział Miller. „Ale ktoś z medycyny sądowej powiedziałby, że nie mogliśmy nikogo skazać na podstawie tego, co mieliśmy”.

Zespół odkrył również, że dysk akrecyjny wydaje się tracić dużo gazu. Ponownie naukowcy mają teorie na temat tego, co dzieje się z tym materiałem, ale Miller powiedział, że XRISM umożliwi badaczom znalezienie bardziej definitywnych odpowiedzi.

„Bardzo trudno powiedzieć, jaki los czeka ten gaz” – powiedział. „Właściwie znalezienie bezpośrednich dowodów to ciężka praca, jaką może wykonać XRISM”.

XRISM nie tylko pozwala badaczom myśleć o istniejących teoriach w nowy sposób. Umożliwia im badanie części przestrzeni, które wcześniej były dla nich niewidoczne.

Brakujące ogniwo

Mimo wszystkich plotek o tym, że ich przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że nawet światło nie jest w stanie z niego uciec, czarne dziury są nadal odpowiedzialne za wytwarzanie dużej ilości promieniowania elektromagnetycznego, które możemy wykryć.

Na przykład Teleskop Horyzontu Zdarzeń – sieć instrumentów na Ziemi wrażliwych na promieniowanie emitowane w postaci fal radiowych – umożliwił astronomom powiększenie i zobaczenie samych krawędzi dwóch różnych czarnych dziur.

Na Ziemi i w kosmosie istnieją inne instrumenty, które wykrywają różne pasma promieniowania, w tym promieniowanie rentgenowskie i światło podczerwone, aby zapewnić większy obraz otoczenia czarnych dziur w skali galaktyki.

Naukowcom brakowało jednak narzędzi o wysokiej rozdzielczości, aby określić, co dzieje się pomiędzy tymi dwiema skalami, od miejsca tuż obok czarnej dziury aż do rozmiaru jej galaktyki macierzystej. W tej przestrzeni pomiędzy znajdują się dyski akrecyjne i inne interesujące struktury niebieskie.

Jeśli podzielić skalę pomniejszonego widoku czarnej dziury przez skalę jej zbliżenia, otrzymamy liczbę bliską 100 000. Dla fizyka każde zero jest rządem wielkości, co oznacza, że ​​różnica w pokryciu sięga pięciu rzędów wielkości.

„Jeśli chodzi o zrozumienie, w jaki sposób gaz dostaje się do czarnej dziury, w jaki sposób część tego gazu jest tracona i jak czarna dziura wpływa na swoją galaktykę macierzystą, naprawdę liczą się rzędy wielkości” – powiedział Miller.

XRISM umożliwia teraz badaczom dostęp do tych skal, wyszukując promienie rentgenowskie emitowane przez żelazo wokół czarnych dziur i opierając się na literze „S” w jej akronimie: spektroskopii.

Zamiast wykorzystywać światło rentgenowskie do tworzenia obrazu, instrument spektroskopowy XRISM wykrywa energię poszczególnych promieni rentgenowskich, czyli fotonów. Naukowcy mogą następnie sprawdzić, ile fotonów o określonej energii wykryto w całym zakresie lub widmie energii.

Zbierając, badając i porównując widma z różnych części obszarów w pobliżu czarnej dziury, badacze mogą dowiedzieć się więcej o zachodzących procesach.

„Żartujemy, że widma umieszczają «fizykę» w «astrofizyce»” – powiedział Miller.

Chociaż istnieją inne operacyjne narzędzia spektroskopii rentgenowskiej, XRISM jest najbardziej zaawansowanym i opiera się na mikrokalorymetrze, zwanym „Resolve”. To zamienia padającą energię promieniowania rentgenowskiego na ciepło, a nie, powiedzmy, na bardziej konwencjonalny sygnał elektryczny.

„Resolve pozwala nam scharakteryzować wielostrukturalne i wielotemperaturowe środowisko supermasywnych czarnych dziur w sposób, który wcześniej nie był możliwy” – powiedział Corrales.

XRISM zapewnia naukowcom 10 razy lepszą rozdzielczość energii w porównaniu z tym, co mieli wcześniej, powiedział Miller. Naukowcy czekali na taki instrument od 25 lat, ale nie było to spowodowane brakiem prób.

Jeśli na początku Ci się nie uda

Wiele lat przed wystrzeleniem w 1999 r. Chandra była początkowo pomyślana jako Ośrodek Zaawansowanej Astrofizyki Rentgenowskiej, pojedyncza misja, która miała latać z wykorzystaniem najnowocześniejszej technologii zarówno do obrazowania rentgenowskiego, jak i spektroskopii.

To jednak okazało się zbyt kosztowne, dlatego podzielono go na teleskop Chandra i misję spektroskopową o nazwie Astro-E, której rozwojem kierowała JAXA. Niestety, Astro-E zaginął podczas startu w lutym 2000 roku.

JAXA, NASA i Europejska Agencja Kosmiczna zdały sobie sprawę, jak ważne jest to narzędzie, powiedział Miller, i współpracowały, aby zasadniczo odtworzyć misję Astro-E mniej więcej pięć lat później. Tym razem jednak misja została nazwana Suzaku, na cześć mitycznego ptaka przypominającego feniksa.

„Suzaku dotarło na orbitę, ale w jego systemie kriogenicznym doszło do nieszczelności, w związku z czym całe chłodziwo wyciekło w przestrzeń kosmiczną. Jego główny instrument naukowy nigdy nie zbierał rzeczywistych danych” – powiedział Miller. „Jednak na pokładzie był inny aparat do zdjęć rentgenowskich i działał naprawdę dobrze przez około 10 lat”.

W ciągu kilku miesięcy od zachodu Słońca Suzaku agencje kosmiczne uruchomiły trzecią misję mającą na celu zapewnienie spektroskopii rentgenowskiej, której poszukiwała społeczność. Misja wystartowała jako Astro-H w lutym 2016 r., a po wejściu na orbitę i rozmieszczeniu paneli słonecznych została przemianowana na Hitomi.

Miller pojechał na Florydę na spotkanie w sprawie Hitomi zaraz po katastrofie, która dotknęła misję. Błąd manewrowania spowodował, że Hitomi wpadła w niekontrolowany obrót.

„Wirował tak szybko, że panele słoneczne odleciały” – powiedział Miller.

Niecałe 40 dni po wystrzeleniu agencje kosmiczne straciły kontakt z Hitomi.

„W nocy można wyjść na plażę na Florydzie i patrzeć, jak spada po niebie” – powiedział Miller. „Migotało w bardzo wyjątkowy sposób”.

Przed zakończeniem misja Hitomi zdołała przeprowadzić to, co Miller określił ilościowo jako półtora obserwacji naukowych. To wystarczyło, aby zmienić sposób myślenia badaczy o gromadach galaktyk, które zawierają setki lub tysiące galaktyk – stwierdził.

Można więc śmiało powiedzieć, że wiele zależało od XRISM, gdy został on wprowadzony na rynek we wrześniu 2023 r. Z wczesnych wyników wynika, że ​​XRISM jest przygotowany na to, by spełnić oczekiwania. Miller i garstka jego kolegów z całego świata byli jednymi z pierwszych, którzy zobaczyli dane, które doprowadziły do ​​ich nowego raportu.

„W Japonii było bardzo późno, w Europie był to dziwny czas, więc wszyscy korzystaliśmy z Zoomu. Wszyscy mieliśmy problemy ze znalezieniem słów” – powiedział Miller. „To zapierało dech w piersiach”.

Oryginalna praca doktorska Millera miała na celu zbadanie danych z misji Astro-E, dlatego zajmował się tą pracą przez ponad połowę swojego życia i praktycznie całą karierę naukową.

W tym czasie Hitomi i bardziej udane misje, takie jak Chandra, dostarczały danych, które umożliwiły jemu i innym osobom w terenie pogłębienie naszej wiedzy o kosmosie. Ale badacze wiedzieli również, że będą potrzebować czegoś w rodzaju kalorymetru rentgenowskiego na pokładzie XRISM, aby dokonać skoków, których pragnęli.

„To było trudne w wielu momentach, ale ciągle otrzymywaliśmy wskazówki dotyczące tego, co może być możliwe” – powiedział Miller. „Odtworzenie tych środowisk w eksperymentach naziemnych jest prawie niemożliwe, a chcieliśmy poznać wiele szczegółów na temat ich rzeczywistego działania. Myślę, że w końcu poczynimy w tej kwestii pewien postęp”.