Vesoljski teleskop James Webb je razkril nenavadno sestavo plina okoli supermasivne črne luknje Sagittarius A* v središču Rimske ceste. Astronomi so ugotovili, da vsebuje veliko težjih kemijskih elementov, njegova sestava pa je podobna sestavi okoliških zvezd. Odkritje ponuja nov vpogled v dogajanje v središču naše galaksije.

Slika prikazuje plinske strukture okoli supermasivne črne luknje Sagittarius A* v središču Rimske ceste. (slika: Dnevne Novice / AI ilustracija)

Sledi nekdanjih zvezdnih eksplozij

Približno 26.000 svetlobnih let od Zemlje, v središču Rimske ceste, se nahaja Sagittarius A*, supermasivna črna luknja z maso približno štirih milijonov Sonc. Čeprav jo obdajajo plin, prah in številne zvezde, je precej manj dejavna od nekaterih podobnih objektov v drugih galaksijah. Astronomi že dolgo raziskujejo, kaj se dogaja s snovjo v njeni bližini in zakaj je le majhen del dejansko doseže.

Raziskovalci kanadske univerze McGill University so 19. oktobra predstavili izsledke raziskave, opravljene s podatki vesoljskega teleskopa James Webb. Ugotovili so, da je plin v bližini Sagittarius A* bogat s težjimi kemijskimi elementi, njegova sestava pa je podobna sestavi številnih okoliških zvezd. Po njihovi razlagi so k takšni obogatitvi verjetno prispevale pretekle generacije zvezd, ki so med svojim razvojem in ob koncu življenja sproščale snov v medzvezdni prostor.

V plinu izmerili približno 1,8-kratno Sončevo kovinskost

Astronomi so preučevali galaktično minispiralo, preplet plinskih struktur v osrednjem delu Rimske ceste. Zanimalo jih je predvsem, koliko težjih kemijskih elementov vsebujejo posamezni oblaki. V astronomiji se za njihovo vsebnost uporablja izraz kovinskost, pri čemer med tako imenovane kovine poleg železa in niklja sodijo tudi ogljik, kisik in žveplo.

Raziskava pod vodstvom Nicole M. Ford, objavljena v znanstveni reviji The Astronomical Journal, je pokazala, da je kovinskost plina v galaktični minispirali približno 1,8-krat tolikšna kot pri Soncu. Raziskovalci so analizirali neon, argon, žveplo, nikelj in železo. Opazili so tudi znake razgradnje prašnih delcev, pri kateri se del elementov, predvsem železa in niklja, sprošča v plin.

Kemijska sestava razkriva del zgodovine tega območja. Težji elementi nastajajo med razvojem zvezd, v okoliški prostor pa prehajajo z zvezdnimi vetrovi in ob eksplozijah supernov. Sčasoma postanejo del novih plinskih oblakov in zvezd. Podobnost med sestavo plina in bližnjih zvezd zato nakazuje, da bi lahko imeli povezano zgodovino nastanka ali razvoja. To še ni dokaz skupnega izvora, je pa pomemben podatek za razumevanje snovi v galaktičnem središču.

Zakaj črna luknja ne pogoltne več okoliškega plina?

Sagittarius A* s svojo gravitacijo močno vpliva na okolico, vendar plin, ki se ji približa, ne konča nujno v črni luknji. Na njegovo gibanje vplivajo tudi magnetna polja, sevanje in gravitacija okoliških zvezd. Del materiala zato ostaja na večjih razdaljah, del pa se lahko giblje po poteh, ki ga ne pripeljejo neposredno proti črni luknji.

Pomembna je tudi sestava plina. Težji elementi vplivajo na njegovo ohlajanje in oddajanje energije, s tem pa na temperaturo in druge fizikalne lastnosti. Od teh je odvisno tudi, kako se snov odziva na razmere v bližini črne luknje. Raziskava sicer ni dokazala, da povečana kovinskost povzroča razmeroma šibko dejavnost Sagittarius A*. Astronomom je omogočila natančnejše določanje lastnosti materiala, ki bi lahko sčasoma dosegel njeno neposredno okolico.

Podobni procesi potekajo tudi v drugih galaksijah. Znanstveniki preučujejo vpliv supermasivnih črnih lukenj na plin v galaksijah, saj lahko energija, ki nastaja ob njihovem privlačenju snovi, spreminja razmere za nastajanje novih zvezd. Sagittarius A* je zaradi svoje relativne bližine posebej zanimiva, ker omogoča podrobno raziskovanje okolja, ki ga je pri bolj oddaljenih črnih luknjah precej težje opazovati.

James Webb razločil plinske strukture s hitrostmi nad 600 km/s

Središče Rimske ceste je zaradi velikih količin medzvezdnega prahu težko opazovati v vidni svetlobi. Vesoljski teleskop James Webb pa zaznava infrardeče sevanje, s katerim lahko astronomi raziskujejo tudi območja, deloma skrita za prašnimi oblaki. Raziskovalci so uporabili instrument MIRI s spektrografom srednje ločljivosti in ločeno preučili sevanje več struktur ioniziranega plina.

Med opazovanimi območji sta bila severni krak in osrednji del galaktične minispirale. Raziskovalci so prepoznali tudi manjše plinske strukture, med njimi X7, pri katerih so izmerili radialne hitrosti, večje od 600 kilometrov na sekundo. To pomeni, da se tako hitro gibljejo vzdolž smeri opazovanja, ne pa nujno, da je tolikšna njihova celotna hitrost skozi prostor. Meritve kažejo, kako burno je gibanje snovi v bližini supermasivne črne luknje.

Spektralna analiza je razkrila še razlike v ionizaciji posameznih oblakov. Pomemben vir sevanja so vroče, masivne zvezde, dodatne značilnosti nekaterih manjših struktur pa bi lahko povzročali hitri udarni valovi zaradi zvezdnih vetrov ali trki z okoliško snovjo. Med možnimi razlagami je tudi iztok materiala iz bližine Sagittarius A*, vendar njegovega obstoja raziskava ni potrdila.

Ali plin razkriva tudi preteklost črne luknje?

Sagittarius A* je danes razmeroma mirna, vendar astronomi vedo, da se dejavnost supermasivnih črnih lukenj skozi čas lahko spreminja. Zato jih zanima, ali so v okoliškem plinu ostale sledi nekdanjih močnejših izbruhov energije. To vprašanje je obravnavala povezana raziskava pod vodstvom Mayure Balakrishnan, objavljena v znanstveni reviji The Astrophysical Journal.

Raziskovalci so preverjali, ali bi lahko iz infrardečega sevanja plina ugotovili, koliko ultravijolične energije je črna luknja oddajala v preteklosti. Izkazalo se je, da na opaženo sevanje močno vplivajo tudi lokalne razmere, predvsem okoliške zvezde in drugi fizikalni procesi. Astronomi zato iz teh meritev ne morejo zanesljivo ugotoviti, ali je del sevanja povezan z nekdanjimi izbruhi Sagittarius A*.

To ne pomeni, da takšnih izbruhov ni bilo. Pomeni le, da okoliški plin ne ponuja dovolj jasnih podatkov za rekonstrukcijo njihove zgodovine. Raziskovalci bodo zato Webbova opazovanja primerjali z računalniškimi modeli, ki prikazujejo gibanje snovi skozi daljša časovna obdobja. Med pomembnimi vprašanji ostaja, koliko plina dejansko doseže črno luknjo in kateri procesi vplivajo na njegovo pot.

James Webb je razkril kemijske sledove razvoja zvezd v plinu, ki obdaja Sagittarius A. Njegova sestava je zdaj bolje poznana, še vedno pa ni povsem jasno, kako se ta snov premika proti črni luknji in zakaj je njena današnja dejavnost razmeroma šibka.