Ενδείξεις για τη δημιουργία κοσμικών ανέμων κατά την πρόσπτωση ύλης σε υπερμεγέθεις μελανές οπές στα κέντρα γαλαξιών

Νέα μελέτη του σπινθηρισμού του φωτός (διακυμάνσεις της έντασης με το χρόνο) των κβάζαρ (υπερμεγέθεις μελανές οπές που καταβροχθίζουν ύλη) αποκαλύπτει ισχυρούς “ανέμους” που παράγονται από το ίδιο το κβάζαρ και οι οποίοι παρασύρουν και εκτοξεύουν ύλη μακριά από το σύστημα. 

Καλλιτεχνική απεικόνιση μελανής οπής στο κέντρο γαλαξία η οποία απορροφά ύλη από το περιβάλλον της απελευθερώνοντας ενέργεια και φως

Οι περισσότεροι γαλαξίες στο σύμπαν, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας, φιλοξενούν στα κέντρα τους μελανές οπές που ζυγίζουν εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου μας. Η ισχυρή βαρυτική έλξη των αντικειμένων αυτών είναι σε θέση να παγιδεύσει ύλη από το γύρω περιβάλλον, κυρίως αέριο που υπάρχει στους γαλαξίες. Το υλικό αυτό περιδινίζεται προς τη μελανή οπή δημιουργώντας σπειροειδείς σχηματισμούς (Απεικόνιση 1) και τελικά προσπίπτει σε αυτή, αυξάνοντας περαιτέρω τη μάζα της.

Απεικόνιση 1: καλλιτεχνική αναπαράσταση των σπειροειδών σχηματισμών που δημιουργούνται όταν ύλη υπό την επήρεια της βαρυτικής έλξης μιας κεντρικής μελανής οπής περιδινίζεται και τελικά προσπίπτει σε αυτή. Η μελέτη των σχηματισμών αυτών που ονομάζονται δίσκοι προσαύξησης, αποτελεί αντικείμενο έντονης έρευνας. credit: Δημήτρης Σακκας (tomakti) – Αντώνης Γεωργακάκης, Angel Ruiz, Μαρία Χήρα (ΕΑΑ)

Η ύλη, ωστόσο, δεν εξαφανίζεται αθόρυβα καθώς πέφτει στη μελανή οπή. Η έντονη βαρύτητα και η τριβή λόγω περιδίνησης τη θερμαίνουν σε υψηλές θερμοκρασίες παράγοντας τεράστιες ποσότητες ενέργειας που ακτινοβολείται στο διάστημα ως λαμπρό φως το οποίο  μπορούν να δουν τα τηλεσκόπια μας. Υπερμεγέθης μελανές οπές στα κέντρα γαλαξιών που απορροφούν ύλη και εκπέμπουν έντονο φως ονομάζονται κβάζαρ (quasar). Αυτά τα αντικείμενα είναι από τα πιο λαμπρά στο σύμπαν.

Το φως από τα κβάζαρ έχει ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό: τρεμοπαίζει συνεχώς, ή μεταβάλλεται σε φωτεινότητα με την πάροδο του χρόνου (Απεικόνιση 2). Αυτό συμβαίνει επειδή η ροή ύλης προς τη μελανή οπή δεν είναι απόλυτα σταθερή. Τυχαίες μεταβολές  στην ποσότητα ή τη θερμοκρασία προκαλούν διακυμάνσεις στην εκπεμπόμενη ακτινοβολία και το τρεμόπαιγμα του φωτός του κβάζαρ. Η σημασία αυτής της μεταβλητότητας έγκειται στο ότι επιτρέπει στους επιστήμονες να χαρτογραφήσουν το περιβάλλον κοντά στη μελανή οπή και να κατανοήσουν πως η ύλη προσπίπτει σε αυτή.

Απεικόνιση 2:  Αναπαράσταση του σπινθηρισμού του φωτός που εκπέμπεται από τα κβάζαρ, της μεταβλητότητας δηλαδή με το χρόνο της έντασης της ακτινοβολίας. Credit: Δημήτρης Σακκας (tomakti) – Αντώνης Γεωργακάκης, Angel Ruiz, Μαρία Χήρα (ΕΑΑ)

Προηγούμενες μελέτες της μεταβλητότητας των κβάζαρ είχαν βρει ένα σαφές μοτίβο: όσο πιο γρήγορος ο ρυθμός που απορροφά ύλη, τόσο πιο αδύναμο είναι το τρεμόπαιγμα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Η νέα έρευνα που δημοσιεύτηκε στο Monthly Notices of the Royal Astronomical Society αμφισβητεί αυτόν τον καθιερωμένο κανόνα.

Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής αστροφυσικούς του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών χρησιμοποίησε νέες παρατηρήσεις από το τηλεσκόπιο ακτίνων-Χ eROSITA για να μετρήσει τις χρονικές διακυμάνσεις του φωτός από μακρινά κβάζαρ.

“Αντίθετα με τις προσδοκίες μας, διαπιστώσαμε ότι το τρεμόπαιγμα των ακτίνων Χ γίνεται ισχυρότερο για μελανές οπές που απορροφούν ύλη με ταχύτερο ρυθμό”, δήλωσε ο Δρ. Αντώνης Γεωργακάκης από το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών, επικεφαλής της μελέτης. ”Αυτό το νέο αποτέλεσμα παρέχει σημαντικές πληροφορίες για το περιβάλλον γύρω από μελανές οπές με υψηλό ρυθμό πρόσπτωσης ύλης.“

Γιατί, λοιπόν, το απροσδόκητα έντονο τρεμόπαιγμα; Οι αστρονόμοι υποστηρίζουν ότι η απάντηση σχετίζεται με ισχυρούς ανέμους εκροής υλικού που παράγονται από το ίδιο το κβάζαρ.

Το περιβάλλον γύρω από μελανές οπές με υψηλό ρυθμό πρόσπτωσης ύλης είναι εξαιρετικά βίαιο και δυναμικό. Η ενέργεια που απελευθερώνεται καθώς η ύλη περιδινίζεται προς τη μελανή οπή είναι τόσο μεγάλη που είναι σε θέση να δημιουργήσει ισχυρούς “ανέμους”, εκροές δηλαδή αερίου που παρασύρουν μέρος της ύλης γύρω από τις μελανές οπές και την απωθούν σε μεγάλες αποστάσεις. Οι εκροές αυτές συνυπάρχουν με τις εισροές ύλης λόγω της βαρυτικής έλξης της μελανής οπής δημιουργώντας ένα εξαιρετικά δυναμικό και μεταβαλλόμενο σύστημα (Απεικόνιση 3).

Η απωθούμενη από τους ανέμους ύλη μπορεί να λειτουργήσει ως νέφος ή κουρτίνα, εμποδίζοντας προσωρινά την ακτινοβολία Χ που παράγεται από το σύστημα να φτάσει στα τηλεσκόπια μας και οδηγώντας στις ακανόνιστες διακυμάνσεις της ροής των ακτίνων Χ που παρατηρούμε. Αυτή η ανακάλυψη προσφέρει έναν νέο τρόπο για να μελετηθούν οι έντονες συνθήκες γύρω από μελανές οπές με υψηλό ρυθμό πρόσπτωσης ύλης.

Απεικόνιση 3: καλλιτεχνική αναπαράσταση του δυναμικού περιβάλλοντος μελανών οπών. Η ενέργεια που απελευθερώνεται καθώς ύλη περιδινίζεται προς τη μελανή οπή είναι δυνατό να δημιουργήσει ισχυρούς “ανέμους”, εκροές δηλαδή αερίου που παρασύρουν μέρος της ύλης του περιβάλλοντος των μελανών οπών και την εκτοξεύουν σε μεγάλες αποστάσεις. credit: Δημήτρης Σάκκας (tomakti) – Αντώνης Γεωργακάκης, Angel Ruiz, Μαρία Χήρα (ΕΑΑ)

Η ανακάλυψη κατέστη δυνατή χάρη στο τηλεσκόπιο-δορυφόρο ακτίνων-Χ eROSITA το οποίο έχει αναπτυχθεί από μια ομάδα γερμανικών ερευνητικών κέντρων και πανεπιστημίων με επικεφαλής το Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics. Το eROSITA σαρώνει τον ουρανό κάθε έξι μήνες παρέχοντας τις πιο ευαίσθητες παρατηρήσεις ακτίνων Χ σε ολόκληρο τον ουρανό.  Από την στιγμή που μπήκε σε τροχιά γύρω από τη Γη το 2019 το eROSITA έχει ολοκληρώσει τέσσερις πλήρεις σαρώσεις του ουρανού, παρέχοντας στους αστρονόμους μια μοναδική χρονική ακολουθία από διαδοχικές λήψεις του σύμπαντος  στις ακτίνες Χ.

Αυτές οι επαναλαμβανόμενες παρατηρήσεις επιτρέπουν την μέτρηση των διακυμάνσεων με την πάροδο του χρόνου της έντασης του φωτός ακτίνων-Χ που εκπέμπεται από τα κβάζαρ, καθιστώντας το eROSITA το ιδανικό εργαλείο για τη μελέτη του τρεμοπαίγματος της ακτινοβολίας Χ που παράγεται καθώς υπερμεγέθεις μελανές οπές καταβροχθίζουν ύλη.

Η διεθνής ομάδα ανέπτυξε νέες στατιστικές μεθόδους για την ανάλυση των δεδομένων του eROSITA ώστε να αξιοποιηθεί στο έπακρο η ποιότητα των παρατηρήσεων.

“Συχνά η ροή ακτινοβολίας ενός κβάζαρ, καθώς μεταβάλλεται με το χρόνο, γίνεται πολύ αμυδρή για τα όρια ευαισθησίας των ανιχνευτών ακτίνων-Χ 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 το κβάζαρ”, εξηγεί ο καθηγητής Maurizio Paolillo του Πανεπιστήμιο Federico II της Νάπολης και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. “Οι παραδοσιακές μέθοδοι ανάλυσης συχνά αγνοούν τα άνω όρια ροής. Η νέα στατιστική προσέγγιση έχει σχεδιαστεί ειδικά για να αξιοποιεί αυτήν την πληροφορία, βελτιώνοντας σημαντικά τον προσδιορισμό της μεταβλητότητας των κβάζαρ”.

Το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθηνών και το ΙΑΑΔΕΤ συμμετέχουν στη γερμανική κοινοπραξία που διαχειρίζεται το τηλεσκόπιο 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, Δρ. Μαρία Χήρα και Δρ. Angel Ruiz.

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε 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, τίτλος “Forward-Modeling the Variable Energetic Universe”.

Διαβάστε τη δημοσίευση για την ανακάλυψη στο επιστημονικό περιοδικό MNRAS εδώ: https://arxiv.org/abs/2512.09047