Astronomowie namierzyli w kosmosie strukturę przypominającą klucz wiolinowy

Na nowym zdjęciu pochodzącym z obserwatorium Chandra dostrzec można kształt łudząco podobny do olbrzymiego klucza wiolinowego zawieszonego w przestrzeni między galaktykami. Różowawa formacja ciągnie się na dystansie około 2,5 mln lat świetlnych, a jej osobliwy zarys nie jest wynikiem przypadkowej obróbki graficznej. Zdaniem badaczy odpowiadają za to dwa następujące po sobie zjawiska: wcześniejsza aktywność supermasywnej czarnej dziury oraz zderzenie dwóch gromad galaktyk, do którego doszło później.

Obiekt leży w odległości około 1,55 mld lat świetlnych od naszej planety, w rejonie nieba, który jest szczególnie trudny do badania. Przez długi czas astronomowie nie byli w stanie jednoznacznie wyjaśnić jego genezy. Dopiero zestawienie danych z zakresu radiowego, rentgenowskiego i podczerwieni umożliwiło zrekonstruowanie procesów, które mogły doprowadzić do powstania tej niecodziennej struktury.

Gigantyczny klucz wiolinowy. Ma aż 2,5 mln lat świetlnych długości

Formacja figuruje w katalogach pod oznaczeniem VLSS J0318.9+5755, jednak badacze ochrzcili ją znacznie wygodniejszym mianem Treble Clef, co tłumaczy się właśnie jako klucz wiolinowy. Przyczyna takiej nazwy rzuca się w oczy od razu — jasne, wygięte smugi przywołują na myśl dobrze znany symbol umieszczany na początku pięciolinii.

To podobieństwo ma jednak charakter wyłącznie optyczny. Mamy tu do czynienia z pareidolią, czyli skłonnością ludzkiego umysłu do odnajdywania znanych kształtów w zupełnie przypadkowych układach. Tym samym mechanizmem tłumaczy się dostrzeganie zwierząt w chmurach albo ludzkich twarzy na powierzchni Marsa.

W praktyce nie patrzymy więc na świecącą mgławicę widoczną gołym okiem. Różowy kształt ilustruje rozmieszczenie promieniowania radiowego emitowanego przez cząstki o bardzo wysokiej energii. Dopiero odpowiednia obróbka zebranych pomiarów nadała tej emisji formę i barwę, jakie widzimy na opublikowanym obrazie.

Struktura rozciąga się na około 760 kiloparseków, co odpowiada niemal 2,5 mln lat świetlnych. Z kolei cały fragment nieba pokazany na ilustracji udostępnionej przez NASA ma szerokość rzędu 6 mln lat świetlnych. To rozmiary ogromne nawet jak na największe znane galaktyki.

Czarna dziura wyrzuciła materię, a potem wszystko zaczęło gasnąć

Najbardziej prawdopodobny scenariusz zakłada, że początek historii kosmicznego klucza wiązał się z aktywnością supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w jednej z galaktyk wchodzących w skład gromady. Obiekty tego typu potrafią wchłaniać ogromne masy materii, lecz część otaczającego je gazu zostaje wyrzucana w przeciwnym kierunku.

W ten sposób rodzą się dżety, czyli wąskie, intensywne strumienie naładowanych cząstek pędzących z prędkościami bliskimi prędkości światła. Mogą one sięgać daleko poza macierzystą galaktykę, transportując energię oraz pola magnetyczne na kolosalne odległości.

W serwisie Spider's Web pisano już wcześniej o badaniach wskazujących, że wpływ supermasywnych czarnych dziur bywa odczuwalny setki tysięcy lat świetlnych poza obrębem ich macierzystych galaktyk. W przypadku klucza wiolinowego ślady takiej dawnej aktywności mogły przetrwać długo po tym, jak intensywna emisja ustała.

Z biegiem czasu wyrzucone wcześniej cząstki zaczęły jednak tracić energię. Emisja radiowa stopniowo słabła, a niegdysiejsze obszary aktywności stawały się coraz trudniejsze do zarejestrowania. Gdyby na tym etapie historia się zakończyła, być może nigdy nie udałoby się dostrzec tak wyraźnej struktury.

Zderzyły się dwie gromady galaktyk

Kolejny etap rozegrał się prawdopodobnie kilkaset milionów lat temu, kiedy doszło do bliskiego przejścia przez siebie dwóch gromad galaktyk. Każda z nich mieściła wiele galaktyk oraz olbrzymie ilości niezwykle rozgrzanego, rozrzedzonego gazu.

Podczas takiego spotkania poszczególne galaktyki zwykle nie uderzają w siebie bezpośrednio, bo dzielą je gigantyczne odległości. Znacznie mocniej wchodzi w interakcję gaz wypełniający przestrzeń między nimi. W efekcie powstają zaburzenia, fale uderzeniowe oraz przepływy zdolne przesuwać i ściskać materię na ogromnych obszarach.

Zdaniem astronomów to właśnie te procesy mogły ponownie wzmocnić emisję pozostawioną niegdyś przez czarną dziurę. Stary obłok naładowanych cząstek został ściśnięty bądź powtórnie pobudzony, dzięki czemu stał się dużo wyraźniej widoczny w falach radiowych.

Struktury tego rodzaju określa się mianem radiowych feniksów. Nazwa nawiązuje do mitycznego ptaka odradzającego się z popiołów, ponieważ emisja związana z dawną aktywnością galaktyki może po długim okresie wygasania na nowo stać się wykrywalna.

Zespół pod kierownictwem Andrea Botteona z włoskiego Narodowego Instytutu Astrofizyki (INAF) podaje w opublikowanym badaniu, że zebrane obserwacje dobrze wpisują się w taki scenariusz. Nie ma jednak pewności, które dokładnie procesy ukształtowały wszystkie widoczne dziś zakrzywienia struktury. Istotną rolę mogły tu odegrać turbulentne, czyli nieregularne, ruchy gorącego gazu.

Naukowcy zajrzeli za Drogę Mleczną. Pomogły w tym różne teleskopy

Obserwacja tego obiektu była wyjątkowo trudna ze względu na jego położenie. Klucz wiolinowy znajduje się niemal bezpośrednio za płaszczyzną Drogi Mlecznej, co oznacza, że z naszej perspektywy zasłaniają go liczne gwiazdy, gaz i pył wchodzące w skład własnej galaktyki.

Astronomowie nazywają takie rejony strefą unikania, ponieważ klasyczne obserwacje w świetle widzialnym są tam poważnie utrudnione. Nie znaczy to jednak, że nie da się dotrzeć dalej — z pomocą przychodzą instrumenty rejestrujące promieniowanie w innych zakresach widma.

Kluczową rolę w nowym badaniu odegrała europejska sieć radioteleskopów LOFAR, dzięki której udało się dokładnie uchwycić zakrzywione pasma emisji. Warto dodać, że w skład LOFAR wchodzą także trzy polskie stacje, zlokalizowane w Borówcu pod Poznaniem, Łazach pod Krakowem oraz Bałdach koło Olsztyna.

Z kolei kosmiczne obserwatoria Chandra i eROSITA wykryły obecność gorącego gazu o temperaturze sięgającej dziesiątek milionów stopni. Dane w zakresie rentgenowskim potwierdziły, że obiekt znajduje się w masywnej gromadzie galaktyk, w której materia jest silnie zaburzona.

Zespół badawczy sięgnął również po obserwacje w podczerwieni oraz dodatkowe pomiary radiowe. Dopiero zestawienie wszystkich tych danych pozwoliło ustalić, że obserwowana struktura to pozostałość po aktywności czarnej dziury, na którą nałożyły się skutki późniejszej kolizji gromad.

Ślady katastrofy nadal widać w gorącym gazie

Szczególnie ciekawych wniosków dostarczyło porównanie rozkładu promieniowania rentgenowskiego z teoretycznym kształtem, jaki miałaby spokojna, niezaburzona gromada galaktyk. Naukowcy zbudowali matematyczny model odpowiadający regularnemu, owalnemu obłokowi gazu, a następnie odjęli go od rzeczywistych danych obserwacyjnych.

Po tej operacji pozostały obszary o podwyższonej emisji po lewej i prawej stronie centrum badanego regionu. Taki układ sugeruje, że obie gromady przemieszczały się względem siebie mniej więcej wzdłuż tej samej osi. Zdaniem badaczy ich główne części minęły się kilkaset milionów lat temu i obecnie oddalają się od siebie.

Same dane radiowe ujawniły jeszcze jeden istotny szczegół — w wielu częściach klucza dominują fale o niskich częstotliwościach, typowe dla starzejących się populacji wysokoenergetycznych elektronów. To kolejny argument przemawiający za tym, że mamy do czynienia z pozostałością po dawnej aktywności, a nie z nowo powstałym obiektem.

Podobnie nietypowe struktury radiowe były już opisywane przy okazji odkrycia ogromnych kosmicznych pierścieni ORC. Choć nie jest to to samo zjawisko, również w tamtym przypadku widać, że aktywność galaktyk i ich czarnych dziur potrafi pozostawiać ślady o zdumiewających rozmiarach.