Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem naukowców z UW odkrył pierwszy tak wyraźny przypadek zsynchronizowanego „kołysania się” dysku akrecyjnego i dżetu supermasywnej czarnej dziury. Zjawisko, przewidywane od lat przez teorię względności, po raz pierwszy potwierdzono obserwacyjnie dzięki analizie zdarzenia TDE AT2020afhd. Badania zostały opublikowane w czasopiśmie „Science Advances”.
Rozerwanie pływowe gwiazdy przez supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki (TDE, z ang. tidal disruption event) zachodzi wtedy, gdy gwiazda zbliży się zbyt blisko do czarnej dziury. Wówczas część materii gwiezdnej opada na nią, tworząc gorący dysk akrecyjny, który intensywnie promieniuje.
Zjawiska TDE są ważnym narzędziem do badania aktywacji „uśpionych” czarnych dziur oraz powstawania dżetów relatywistycznych, czyli strumieni materii poruszających się z prędkościami bliskimi prędkości światła.
Międzynarodowy zespół badawczy analizujący obiekt oznaczony jako AT2020afhd znalazł jak dotąd najbardziej przekonujące dowody na współprecesję (czyli zsynchronizowane „kołysanie się”) dysku akrecyjnego czarnej dziury i jej dżetu. W pracach zespołu brał udział dr Mariusz Gromadzki z Obserwatorium Astronomicznego UW.
Badania zostały opublikowane w czasopiśmie „Science Advances”.
Kampania obserwacyjna
Badane zjawisko znajduje się w galaktyce LEDA 145386, oddalonej od Ziemi o około 120 mln lat świetlnych. Jasny rozbłysk optyczny odkryto w styczniu 2024 roku, a następnie potwierdzono spektroskopowo, że mamy do czynienia ze zdarzeniem typu TDE.
Zespół badawczy pod kierownictwem prof. Wang Yanana z Narodowych Obserwatoriów Astronomicznych (NAOB), zorganizował międzynarodową kampanię obserwacyjną. Obejmowała ona ponadroczny, intensywny monitoring z wykorzystaniem wielu teleskopów kosmicznych i naziemnych na różnych długościach fali.
Obserwacje kosmiczne prowadzono za pomocą teleskopów rentgenowskich Swift, NICER i XMM-Newton, natomiast obserwacje naziemne opierały się na radiointerferometrach VLA, ATCA, e-MERLIN i VLBA, uzupełnionych danymi optycznymi z różnych teleskopów, co pozwoliło na uzyskanie pełnego pokrycia długości fali dla tego zjawiska. Część danych optycznych wykorzystanych w tych badaniach została zebrana przez New Technology Telescope (NTT) w La Silla w Chile w ramach międzynarodowej współpracy ePESSTO+, w którą od kilku lat zaangażowany jest dr Mariusz Gromadzki.
Quasi-periodyczne oscylacje
Po przeanalizowaniu bogatego zestawu danych zespół dokonał kluczowego odkrycia: około 215 dni po zdarzeniu krzywa blasku w promieniowaniu rentgenowskim wykazała wyraźne quasi-periodyczne oscylacje o okresie około 19,6 dnia. Pasmo radiowe również wykazywało silną zmienność, ściśle zsynchronizowaną ze zmianami w promieniowaniu rentgenowskim.
To międzypasmowe quasi-periodyczne zachowanie o dużej amplitudzie niemal jednoznacznie wskazuje na precesję dysku akrecyjnego i dżetu jako skoordynowanego układu. To tak, jakbyśmy „widzieli” rytmiczny ruch czarnej dziury, której dysk akrecyjny oraz dżet unoszą się i opadają jednocześnie.
Wspólna precesja dysku i dżetu, obserwowana w niektórych układach czarnych dziur, jest najprawdopodobniej związana z efektem Lensego-Thirringa, przewidzianym przez ogólną teorię względności Einsteina. Wirująca czarna dziura „ciągnie” otaczającą ją czasoprzestrzeń, powodując precesję nachylonego dysku akrecyjnego oraz prostopadłego do niego dżetu.
Choć zjawisko to od dawna było przewidywane przez teorie i symulacje numeryczne, uzyskanie bezpośrednich dowodów obserwacyjnych okazało się niezwykle trudne. Aby temu sprostać, zespół prowadził ciągły monitoring ponad rok.
Na podstawie tych danych opracowano model skoordynowanej precesji dysku i dżetu, który z powodzeniem odtwarza obserwowaną zmienność w zakresie promieniowania rentgenowskiego i radiowego. Model ten dostarcza również ścisłych ograniczeń na konfigurację geometryczną układu, spin czarnej dziury oraz prędkość dżetu.