Τὰ πάντα ρεῖ: Σπινθηρίζουσες υπερμεγέθεις μελανές οπές
Γνωρίζουμε ότι η ακτινοβολία που εκπέμπεται καθώς ύλη πέφτει και εξαφανίζεται μέσα σε μια μελανή οπή παρουσιάζει έντονη μεταβλητότητα με το χρόνο. Είναι αυτό το σπινθήρισμα τυχαίο ή περιέχει φυσικές πληροφορίες, π.χ. για τη η μάζα της μελανής οπής ή το ρυθμό με τον οποίο η ύλη πέφτει σε αυτή; Διεθνής ομάδα αστρονόμων από την Ελλάδα, Γερμανία και Ιταλία απαντά στο ερώτημα αυτό σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε πρόσφατα.
Σχήμα 1: Παρατηρήσεις ακτίνων-Χ από τον XMM-Newton του ενεργού γαλαξιακού πύρηνα (AGN) με κωδικό SDSS J214238.27+064600.7 σε διαφορετικές ημερομηνίες: Εικόνες ακτίνων-Χ του συγκεκριμένου AGN με πολλαπλές παρατηρήσεις από το τηλεσκόπιο XMM-Newton μεταξύ Μαΐου 2004 και Μαΐου 2019. Τα ανοιχτότερα χρώματα υποδεικνύουν υψηλότερη ένταση και επομένως υψηλότερη ροή της πηγής κατά την ημερομηνία της παρατήρησης. Η πηγή λαμπυρίζει με τον χρόνο: η ροή της αυξάνεται από το 2004 έως το 2008 και στη συνέχεια γίνεται αμυδρή το 2019.
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι σχεδόν όλοι οι γαλαξίες μεγάλης μάζας στο Σύμπαν φιλοξενούν στα κέντρα τους μελανές οπές με μάζα εκατομμύρια ή ακόμη και δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη του Ήλιου μας. Παράδειγμα αποτελεί ο δικός μας Γαλαξίας, στον πυρήνα του οποίου υπάρχει μαύρη τρύπα 4,3 εκατομμύρια φορές βαρύτερη από τον Ήλιο. Αυτή η μάζα είναι συγκρίσιμη με αυτή ενός μικρού (νάνου) γαλαξία και είναι πακτωμένη σε χώρο μικρότερο σε διαστάσεις από το ηλιακό μας σύστημα. Συμπαγή αντικείμενα τόσο υψηλής πυκνότητας πιστεύεται ότι αυξάνουν συνεχώς τη μάζα τους σταδιακά καταπίνοντας αεριώδη ύλη από το περιβάλλον τους για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Κατά την διαδικασία αυτή δημιουργείται ένας δίσκος προσαύξησης γύρω από τη μελανή οπή που κατευθύνει υλικό σε αυτή θρέφοντάς την και αυξάνοντας την μάζα της. Η πτώση της ύλης προς το συμπαγές αντικείμενο μέσω του δίσκου προσαύξησης παράγει επίσης τεράστιες ποσότητες ενέργειας που παρατηρούνται ως ακτινοβολία σε διάφορα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, από τις ακτίνες-Χ και το οπτικό έως τα ραδιοκύματα. Οι γαλαξίες με ενεργές υπερμεγέθεις μελανές οπές στα κέντρα τους που παράγουν ακτινοβολία μέσω προσαύξησης ύλης αναφέρονται ως Ενεργοί Γαλαξιακοί Πυρήνες (AGN).
Η λεπτομερής κατανόηση της δομής και του σχηματισμού των δίσκων προσαύξησης γύρω από μελανές οπές αποτελεί αντικείμενο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Μία από τις προκλήσεις που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι αστρονόμοι που ασχολούνται με το αντικείμενο αυτό είναι ότι η διαδικασία προσαύξησης έχει δυναμικό χαρακτήρα, παρουσιάζει δηλαδή έντονες μεταβολές με τον χρόνο. Παρατηρησιακά αυτό εκδηλώνεται ως τρεμοπαίξιμο ή λαμπύρισμα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, μία αδιάκοπη δηλαδή μεταβολή της παρατηρούμενης ροής με τον χρόνο γύρω από μια μέση τιμή (βλέπε π.χ. Σχήματα 1, 2). Το λαμπύρισμα αυτό της ακτινοβολίας των ενεργών γαλαξιακών πυρήνων είναι εκ φύσεως στοχαστική διαδικασία: δεν είναι δυνατόν να προβλέψουμε με ακρίβεια την τιμή της ροής της ακτινοβολίας που εκπέμπεται κατά τη διαδικασία προσαύξησης σε δεδομένη χρονική στιγμή, αλλά μπορούμε να προσδιορίσουμε μαθηματικά την πιθανότητα μιας συγκεκριμένης ροής. Μια ολοκληρωμένη εικόνα των στατιστικών ιδιοτήτων του λαμπυρίσματος της ακτινοβολίας των ενεργών μελανών οπών αποτελεί το αναγκαίο βήμα για την κατανόηση και τη μοντελοποίηση της διαδικασίας προσαύξησης ύλης σε μελανές οπές.
Σχήμα 2: Προσομοίωση του λαμπυρίσματος στις ακτίνες-Χ ενεργής μελανής οπής. Η πάνω σειρά δείχνει προσομοιωμένες εικόνες ακτίνων-Χ ενεργών μελανών οπών σε διαφορετικές χρονικές στιγμές μέσα σε μία περίοδο 20 ετών. Στα αριστερά είναι το παράδειγμα μιας μικρής μάζας (ελαφριάς) μελανής οπής (108 ηλιακές μάζες) που προσαυξάνει ύλη με χαμηλό ρυθμό. Στα δεξιά είναι μια μεγάλης μάζας (βαρίας) μελανή οπή (109 ηλιακές μάζες) που απορροφά ύλη με υψηλό ρυθμό. Είναι προφανές ότι ελαφριά ενεργή μελανή οπή στα αριστερά εμφανίζει πού μεγαλύτερη μεταβλητότητα σε σχέση με βαριά μελανή οπή στα δεξιά. Τα κάτω σχήματα δείχνουν πώς η προσομοιωμένη ροή των ενεργών υπερμεγεθών μελανών οπών αλλάζει με τον χρόνο κατά τη διάρκεια της περιόδου των 20 ετών. Τα σημεία στα αριστερά (ελαφριά ενεργή μελανή οπή) εμφανίζουν σημαντικά υψηλότερη διασπορά, δηλαδή υψηλότερο εύρος μεταβλητότητας, σε σύγκριση με τα σημεία στα δεξιά (βαριά μελανή οπή).
Ερευνητές του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών σε συνεργασία με το Γερμανικό Ινστιτούτο Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics και το Πανεπιστήμιο της Νάπολης στην Ιταλία μελέτησαν τη μεταβλητότητα (λαμπύρισμα) των AGN στις ακτίνες-Χ με σκοπό την κατανόηση των στατιστικών χαρακτηριστικών της. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης τους που εμφανίζονται σε πρόσφατη επιστημονική δημοσίευση έδειξαν ότι το μέγεθος και η συχνότητα των διακυμάνσεων της ροής ακτίνων-Χ εξαρτώνται από θεμελιώδεις φυσικές ιδιότητες του συστήματος προσαύξησης, όπως η μάζα της μαύρης τρύπας και ο ρυθμός με τον οποίο η ύλη πέφτει πάνω σε αυτήν. “Οι πιο βαριές μαύρες τρύπες ή οι μαύρες τρύπες που τροφοδοτούνται με υλικό με υψηλό ρυθμό εκπέμπουν ακτινοβολία ακτίνων-Χ με χαμηλό επίπεδο μεταβλητότητας. Αντίστροφα ελαφρύτερες μαύρες τρύπες ή εκείνες που απορροφούν υλικό με χαμηλό ρυθμό παρουσιάζουν μεγαλύτερες διακυμάνσεις στη ροή τους», εξηγεί ο Αντώνης Γεωργακάκης, ερευνητής του Ινστιτούτου Αστρονομίας Αστροφυσικής Διαστημικών Εφαρμογών και Τηλεπισκόπησης (ΙΑΑΔΕΤ) του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών και κύριος συγγραφέας της μελέτης. Το εύρημα αυτό επιδεικνύεται στο Σχήμα 2, όπου παρουσιάζονται ρεαλιστικές προσομοιώσεις του λαμπυρίσματος της ροής στις ακτίνες-Χ AGN με διαφορετικές μάζες μελανής οπής και ρυθμούς προσαύξηση.
Σχήμα 3: Επίδειξη του λαμπυρισματος στις ακτίνων-Χ του AGN με κωδικό SDSS J214238.27+064600.7:Η ταινία στα αριστερά δείχνει μια ακολουθία εικόνων ακτίνων-Χ του συγκεκριμένου AGN που παρατηρήθηκε από τον XMM-Newton σε διαφορετικές ημερομηνίες μεταξύ 2004 και 2019. Δείχνει πώς η ένταση των ακτίνων Χ της πηγής ποικίλλει με τον χρόνο. Το σχήμα στα δεξιά δείχνει πώς αλλάζει η ροή της πηγής σε κάθε ημερομηνία παρατήρησης μεταξύ 2004 και 2019.
Ενδείξεις για την εξάρτηση του λαμπυρίσματος των AGN από τη μάζα της μελανής οπής και τον ρυθμούς προσαύξησης βρίσκονται υπό συζήτηση εδώ και χρόνια από την αστρονομική κοινότητα. Ωστόσο, η πρόσφατη μελέτη της διεθνούς ομάδας με επικεφαλής τους ερευνητές του ΙΑΑΔΕΤ μπόρεσαν να καταδείξουν αυτές τις τάσεις χάρη στην ποιότητα και τον όγκο των δεδομένων που χρησιμοποίησαν. Συνδύασαν παρατηρήσεις από δύο Ευρωπαϊκά τηλεσκόπια-δορυφόροι ακτίνων-Χ, το XMM-Newton του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος και το eROSITA, το οποίο βρίσκεται υπό την αιγίδα κοινοπραξίας Γερμανικών ινστιτούτων αστρονομίας, για να μελετήσουν τις διακυμάνσεις της ροής ακτίνων-Χ ενός μεγάλου δείγματος γνωστών υπερμεγέθων ενεργών μελανών οπών (σχεδόν 16.000, βλέπε Σχήματα 2, 3). «Τα τηλεσκόπια XMM-Newton και ROSITA έχουν παρατηρήσει καθένα από αυτά τα 16.000 AGN τουλάχιστον δύο φορές μέσα σε διάστημα 20 ετών. Μετρώντας πόσο έχει αλλάξει η ροή ακτίνων-Χ μεταξύ των επαναλαμβανόμενων παρατηρήσεων των μεμονωμένων πηγών και αναλύοντας όλες αυτές τις διαφορές ροής ως σύνολο, είναι δυνατόν να μάθουμε για τις στατιστικές ιδιότητες της μεταβλητότητας του πληθυσμού», διευκρινίζει ο Angel Ruiz, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών και συν-συγγραφέας της μελέτης. Παράδειγμα της μεταβλητότητας της ακτινοβολίας ακτίνων-Χ ενός από τους 16.000 AGN που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση φαίνεται στα Σχήματα 1, 3. Η συγκεκριμένη ενεργή μελανή οπή έχει παρατηρηθεί από το τηλεσκόπιο XMM-Newton αρκετές φορές μεταξύ του 2004 και του 2019.
Εκτός από την ποιότητα των παρατηρήσεων, κεντρικό ρόλο στα αποτελέσματα διαδραμάτισε η μεθοδολογία που υιοθετήθηκε για την ανάλυση και την ερμηνεία των δεδομένων. Μια νέα μέθοδος αναπτύχθηκε για την ανάλυση των διαφορών ροής του πληθυσμού των AGN που επιτρέπει την μεγιστοποίηση της πληροφορίας που εξάγεται από τις παρατηρήσεις. «Συχνά η ροή ακτινοβολίας ενός AGN, καθώς μεταβάλλεται με το χρόνο, γίνεται πολύ αμυδρή για τα όρια ευαισθησίας των ανιχνευτών ακτίνων-Χ είτε του XMM-Newton είτε του eROSITA. Στην περίπτωση αυτή, η πηγή παραμένει κρυμμένη κάτω από το επίπεδο θορύβου των οργάνων και δεν είναι δυνατή η άμεση μέτρηση της ροής της. Αντ’ αυτού, μπορεί να εκτιμηθεί μόνο ένα ανώτατο όριο που αντιπροσωπεύει την υψηλότερη ροή που θα μπορούσε να έχει η πηγή’. Οι παραδοσιακές μέθοδοι ανάλυσης συχνά αγνοούν τα άνω όρια ροής. Ωστόσο, περιέχουν χρήσιμες πληροφορίες τις οποίες η νέα στατιστική μας προσέγγιση εκμεταλλεύεται για τον προσδιορισμό της μεταβλητότητας του πληθυσμού», αποκαλύπτει ο Maurizio Paolillo, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Νάπολης Federico II και συν-συγγραφέας της μελέτης.
Τα αποτελέσματα της εργασίας είναι σημαντικά για την ανάπτυξη και βελτιστοποίηση θεωριών για το μηχανισμό προσαύξησης ύλης σε υπερμεγέθεις μελανές οπές. Τα μοντέλα θα πρέπει να μπορούν να εξηγήσουν τα παρατηρούμενα πρότυπα μεταβλητότητας που αποκαλύφθηκαν από τις πρόσφατες εργασίες της διεθνούς ομάδας με επικεφαλής τους ερευνητές του ΙΑΑΔΕΤ. Η υπάρχουσες θεωρίες προτείνουν αστάθειες στον δίσκου προσαύξησης ή διακυμάνσεις με τον χρόνο των φυσικών συνθηκών και της ποσότητας του πλάσματος που εκπέμπει τις ακτίνες-Χ για να ερμηνεύσουν την παρατηρούμενη μεταβλητότητα. Παρόλα αυτά μια πλήρης και ικανοποιητική θεωρία δεν έχει ακόμη αναπτυχθεί.
Η ανακοίνωση των παραπάνω αποτελεσμάτων συμπίπτει με την πρώτη παγκόσμια κυκλοφορία των νέων παρατηρήσεων ακτίνων-Χ από το τηλεσκόπιο eROSITA. Από την στιγμή που μπήκε σε τροχιά γύρω από τη Γη το 2019 το eROSITA σαρώνει ολόκληρο τον ουρανό κάθε 6 μήνες με στόχο να παράσχει τις πιο βαθιές παρατηρήσεις ακτίνων-Χ σε ολόκληρο τον ουρανό. Η πρώτη δημοσίευση των δεδομένων αντιστοιχεί στους πρώτους 6 μήνες λειτουργίας του eROSITA. Οι παρατηρήσεις που θα δημοσιοποιηθούν θα αποτελέσουν μια μοναδική πηγή πληροφοριών για την αστρονομική κοινότητα για ένα ευρύ φάσμα ερευνητικών εφαρμογών από τη μελέτη συμπαγών αντικειμένων όπως οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες μέχρι το σχηματισμό σμηνών γαλαξιών.
Το όργανο eROSITA έχει αναπτυχθεί από μια ομάδα γερμανικών ερευνητικών κέντρων και πανεπιστημίων με επικεφαλής το Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics. Το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών και το ΙΑΑΔΕΤ συμμετέχουν στη γερμανική κοινοπραξία που διαχειρίζεται το όργανο eROSITA συνεισφέροντας εργαλεία λογισμικού για τη βαθμονόμηση των οπτικών ακτίνων Χ και την ανάλυση των παρατηρήσεων.
Οι ερευνητές του ΙΑΑΔΕΤ που συμμετέχουν στην έρευνα είναι οι Δρ. Α Γεωργακάκης (Διευθυντής Ερευνών), Δρ. Α. Ακύλας (Διευθυντής ΕΛΕ) και Δρ. A. Ruiz (μεταδιδακτορικός ερευνητής). Η μελέτη χρηματοδοτείται από το Ελληνικό Ίδρυμα Έρευνας & Καινοτομίας (ΕΛ.ΙΔ.Ε.Κ) στα πλαίσια της 2ης Προκήρυξης Ερευνητικών Έργων για την Ενίσχυση Μελών ΔΕΠ και Ερευνητών/τριών, αριθμός έργου 2688 (Forward-Modeling the Variable Energetic Universe).
