Radiolähde paljastaa uutta mustan aukon käyttäytymisestä

Kuvittele majakka kosmoksen reunalla, joka syttyy eikä koskaan himmene. Tämä on pulma, jonka tähtitieteilijät nyt kohtaavat sen jälkeen, kun musta aukko läheisessä spiraaligalaksissa äkisti muuttui poikkeuksellisen voimakkaaksi radiolähteeksi ja on pysynyt kirkkaana yli kahdeksan vuotta.

Galaksi, luettelotunnuksella SDSS J110546.07+145202.4 ja sijaiten noin 1,8 miljardin valovuoden päässä Leijonan tähdistössä, muuttui vaatimattomasta radiolähteestä poikkeuksellisen äänekkääksi. Sen keskuksen musta aukko alkoi säteillä radioaaltoja yli 20 kertaa voimakkaammin kuin aiemmin. Monissa ohimenevissä järjestelmissä tällainen purkaus vaimenee nopeasti. Ei tässä. Signaali jatkuu. Vuosia ovat kuluneet. Radiokirkkaus säilyy.

Yllättävä käyttäytyminen pieneltä voimanlähteeltä

Tämä kohde kuuluu kapealinjaisiin Seyfert 1 -luokan aktiivisiin galakseihin. Luokitus viittaa verrattain pienimassaiseen mustaan aukkoon, joka kerää ainetta nopeasti. Nämä mustat aukot ovat usein energisiä röntgen- ja näkyvässä valossa, mutta voimakkaat ja pitkäkestoiset radiojetit ovat niiden keskuudessa harvinaisia. SDSS J110546.07+145202.4:n jatkuva radio-emissio näyttää olevan ensimmäinen selvä esimerkki pitkäkestoisesta muuttuvasta radioilmiöstä tässä galaksityypissä.

Mikä ruokkii tällaista majakkaa? Johtava selitys on tuttu: kaasu ja pöly vaipuvat kohti mustaa aukkoa ja muodostavat pyörivän akkretiokiekon. Hankaus ja magneettiset voimat kuumentavat sisään virtaavaa materiaalia ja tietyissä oloissa ohjaavat osan siitä kapeisiin, relativistisiin jetteihin. Nämä jetit voivat tuottaa voimakasta radioemissiota, kun varautuneet hiukkaset kiertyvät magneettikenttälinjoja pitkin.

Tässä tapauksessa tutkijat epäilevät, että akkretiokiekolle tuli äkillinen kaasun syöttö. Tämä muutoksen myötä jetin laukaisu saattoi käynnistyä ja pysyä aktiivisena. Radiovalon voimakkuus on valtava. Emittoitu teho on noin 10 kvadriljoonaa kertaa Auringon radioemission verran. Silti keskellä oleva musta aukko on suhteellisen kevyt verrattuna jättiläisiin massiivisissa elliptisissä galakseissa.

Uudet havainnot yhdistettynä arkistodataaan radiospektristä röntgenalueelle eivät paljasta ilmeistä kaksoispurkausta optisissa tai infrapunan aaltopituuksissa, joka vastaisi radiokirkkouden nousua. Tämän puute vaikeuttaa suoraviivaisia selityksiä, kuten tähden repeytymistapahtumaa, jossa tähti revitään riekaleiksi ja ydin kirkastuu väliaikaisesti monilla aallonpituuksilla. Käyttäytyminen myös poikkeaa blazareista, joiden jetit suuntautuvat lähes suoraan kohti Maata ja jotka yleensä osoittavat nopeaa, vaihtelevaa säteilyä.

Seuranta- ja jatkomittaukset tehtiin useilla laitteilla: Effelsbergin 100 metrin radioteleskoopilla, CSIRO:n Australia Telescope Compact Arraylla sekä avaruudessa toimivilla röntgenteleskoopeilla muun muassa. Jokainen tietoaineisto tukee samaa yllättävää johtopäätöstä: tämä ei ole lyhytkestoinen radiohelmi. Kyse on pysyvästä tilamuutoksesta.

Löytötutkimuksen artikkelin johtajana toimi Stefanie Komossa Max Planckin radiotähtitieteen instituutista, ja tutkimus asettaa SDSS J110546.07+145202.4:n mahdollisen nopeasti vaihtuvien radiogalaksien uuden luokan prototyypiksi. Jos luokittelu pitää paikkansa, se pakottaa tähtitieteilijät tarkistamaan teorioita siitä, miten pienemmät, nopeasti kasvavat mustat aukot voivat muodostaa ja ylläpitää jettejä.

Miksi tämä on merkittävää yhden galaksin ulkopuolella

Tämän kohteen merkitys ulottuu pidemmälle. Varhaisessa maailmankaikkeudessa nopeasti kasvaneet, pienemmän massan mustat aukot olivat paljon yleisempiä. Ne todennäköisesti ajoivat kirkkaiden lähteiden toimintaa, jotka muokkasivat ympäristöään säteilyn ja jettien avulla. Näitä etäisiä järjestelmiä on kuitenkin heikosti havaittavissa ja vaikea erottaa yksityiskohtaisesti. Läheinen analogi antaa tutkijoille laboratoriomaisen mahdollisuuden tutkia jetin muodostumista, etenemistä ja vuorovaikutusta isäntägalaksin kaasun kanssa paljon yksityiskohtaisemmin.

Korkean resoluution radio­kuvantaminen voisi auttaa. Erittäin pitkän peruslinjan interferometria yhdistää etäällä sijaitsevien antennien signaalit tuottaen kulmaresoluution, joka vastaa mannerkokoista yksittäistä havaintolautasta. Suunnitellut havainnot VLBA-verkostolla voivat paljastaa jetin rakenteen, suunnan ja kehityksen, auttaen määrittämään, syntyykö radioemissio kompaktista ytimestä, uudesta jetin solmusta vai laajamittaisemmista vuorovaikutuksista ympäröivän kaasun kanssa.

Katsoessa tulevaisuuteen, seuraava generaatio radio­teleskooppeja, kuten SKA-havaintojärjestelmä, kartoittaa taivasta ennennäkemättömällä herkkyydellä. Nämä teleskoopit todennäköisesti löytävät paljon enemmän radio-ohimeneviä ilmiöitä ja pitkäkestoisia muutoksia, jolloin tähtitieteilijät voivat selvittää, onko SDSS J110546.07+145202.4 yksittäinen erikoisuus vai ensimmäinen tunnistettu jäsen laajemmasta populaatiosta.

Galaksi on myös visuaalisesti näyttävä. Se on tarpeeksi lähellä, että sen kaksi spiraalihaaraa näkyvät selvästi optisissa ja lähellä infrapuna-aluetta otetuissa kuvissa, tarjoten kontekstin energiselle ytimen toiminnalle. Yhdistetty näkymä auttaa yhdistämään keskuksen toiminnan isäntägalaksiin.

Galaksi SDSS J110546.07+145202.4 on niin lähellä Maata, että sen muoto, kahden spiraalihaaran muodostama rakenne, näkyy kuvissa selvästi. Valokuva on näkyvän valon ja lähellä infrapunaa olevan säteilyn yhdistelmä. 

Asiantuntijan näkemys

"Tämä kohde tarjoaa harvinaisen lähellä olevan testitapauksen prosesseille, jotka olivat yleisiä nuoremmassa maailmankaikkeudessa", sanoo tohtori Elena Morales, havaintotähtitieteilijä, joka ei ole liitoksissa löytöryhmään. "Voimme seurata, miten uusi jetti vakiintuu ja miten se vaikuttaa galaksiin. Tämä kertoo palauteilmiöistä, siitä, miten mustat aukot säätelevät tähtien muodostumista, ja millaiset olosuhteet tarvitaan jetin ylläpitoon vuosien, ei vain päivien tai kuukausien, ajan."

Hänen näkemyksensä yltää suoraan siihen, miksi pitkäkestoinen radioemissio on merkittävä. Jetit tekevät muutakin kuin vain valaisevat teleskooppeja. Ne kuljettavat energiaa mittakaavoille, joissa ne voivat lämmittää kaasua, siirtää sitä ja estää tai laukaista tähtien syntymistä. Jetin synnyn ja pysyvyyden seuraaminen reaaliajassa tarjoaa dataa, jolla voidaan testata tietokonepohjaisia malleja näistä palauteprosesseista.

Yhteenveto

SDSS J110546.07+145202.4 on muuttunut harvinaiseksi ja arvokkaaksi tapaustutkimukseksi. Se haastaa odotukset siitä, miten pienemmän massan, nopeasti akkretoivat mustat aukot käyttäytyvät. Lisäksi se tarjoaa lähellä olevan analogin sellaisille aktiivisille ytimille, jotka todennäköisesti muokkasivat varhaista kosmosta. Jatkuva seuranta sähkömagneettisen spektrin eri alueilla, korkean resoluution radio­kuvantaminen ja tulevien herkempien taivashavaintojen kartoitukset paljastavat, onko kyseessä ainutlaatuinen erikoisuus vai ensimmäinen merkki laajemmasta, aiemmin piilevästä pitkäkestoisten radio-ohimenevien populaatiosta.

Siihen asti majakka pysyy valaistuna. Tähtitieteilijät jatkavat tarkkailua.