Zawirowania wywołane przez ogromne czarne dziury powstrzymują formowanie się gwiazd
27 Lip 2009r. w Galaktyki napisał/a Tomasz LechańskiBadacze od dawna wiedzą, że gaz znajdujący się w centrum niektórych gromad galaktyk bardzo szybko ochładza się i zagęszcza, jednak zastanawiało ich to dlaczego ten gaz nie formuje gwiazd.
Badacze od dawna wiedzą, że gaz znajdujący się w centrum niektórych gromad galaktyk bardzo szybko ochładza się i zagęszcza, jednak zastanawiało ich to dlaczego ten gaz nie formuje gwiazd.
Najnowsze symulacje pokazują, że zawirowania wywołane przez strumienie materiału wyrzucanego z dysków największych we Wszechświecie czarnych dziur są odpowiedzialne za powstrzymywanie procesu formowania się gwiazd. Evan Scannapieco, docent w School of Earth and Space Exploration na uniwersytecie stanowym w Arizonie oraz Marcus Brueggen, profesor na uniwersytecie Jacobs w Bremen, zaprezentowali nowy model.
Trójwymiarowy obraz przedstawiający komputerową symulację temperatury gazu w stygnącej gromadzie gwiazd. Niebieski pierścień to schłodzony gaz na obrzeżach dysku czarnej dziury; czerwone i żółte smugi to ciepły gas wydobywający się z dysku. Starsze pęcherze pochodzące z wcześniejszych wybuchów są widoczne w lewej i prawej części obrazu. Zawirowania wywołane przez strumienie powodują mieszanie się ze sobą ciepłego i chłodnego materiału, co stabilizuje dalszy przyrost gazu i sprawia, że poziom gazu w gromadzie jest zrównoważony.
Żyjemy w hierarchicznym Wszechświecie gdzie małe struktury łączą się z większymi. Ziemia jest planetą w naszym układzie słonecznym, Układ Słoneczny znajduje się w galaktyce zwanej Drogą Mleczną, a galaktyki tworzą skupiska i gromady. Gromady są największymi strukturami we Wszechświecie. Badacze od dawna wiedzą, że gaz znajdujący się w centrum niektórych gromad galaktyk bardzo szybko ochładza się i zagęszcza, jednak zastanawiało ich to dlaczego ten zagęszczony gaz nie formuje gwiazd. Do niedawna nie istniał żaden model, który wyjaśniałby jak to możliwe, że tak właśnie się dzieje.
Scannapieco poświęcił dużą część swojego życia zawodowego na badanie ewolucji galaktyk i gromad. "Istnieją dwa rodzaje gromad – gromady z chłodnym jądrem oraz gromady bez chłodnego jądra," powiedział Scannapieco. "Gromady bez chłodnego jądra istnieją zbyt krótko aby były chłodne, natomiast gromady z chłodnym jądrem gwałtownie stygną, chociaż zgodnie z naszymi standardami są one nadal bardzo gorące."
Teleskopy promieniowania rentgenowskiego zrewolucjonizowały nasz zrozumienie tego co dzieje się wewnątrz gromad z chłodnym jądrem. Pomimo, iż gromady te mogą zawierać setki tysięcy galaktyk, to jednak są one głównie zbudowane z rozproszonego, ale bardzo gorącego gazu zwanego wewnątrz-gromadnym medium. Ten międzygalaktyczny gaz jest widoczny jedynie przy użyciu teleskopów rentgenowskich, która są w stanie zobrazować ich temperaturę i strukturę. Te obserwacje pokazują, że rozproszony gaz stygnie gwałtownie w centralnych obszarach gromad z chłodnym jądrem.
W centrum każdej z tych gromad znajduje się czarna dziura, miliardy razy masywniejsza niż Słońce. Niektóre media chłodzące łączą się z gęstym dyskiem otaczającym czarną dziurę, niektóre wchodzą do jej wnętrza, a jeszcze inne wystrzeliwują z niej. Obrazy rentgenowskie wyraźnie pokazują Strumienne wybuchy wyrzucanego materiału, które zachodzą w regularnych cyklach.
Jednak dlaczego te wybuchy były takie regularne, i dlaczego temperatura gazu chłodzącego nie spadła jeszcze bardziej, aby zapoczątkować proces formowania się gwiazd. Jakiś nieznany mechanizm równoważył zachodzące tam procesy.
"Wyglądało to tak jakby strumienie wydobywające się z czarnych dziur były w jakiś sposób odpowiedzialne za wstrzymanie procesu schładzania, jednak do niedawna nikt nie był w stanie powiedzieć w jaki sposób to dokładnie się dzieje," stwierdził Scannapieco.
Scannapieco i Brueggen skorzystali z ogromnych superkomputerów na uniwersytecie stanowym w Arizonie w celu stworzenia ich własnej trójwymiarowej symulacji gromady galaktyk otaczającej jedną z największych czarnych dziur we Wszechświecie. Wykorzystując wyjaśnienie opracowane przez Guya Diamonte z Krajowego Laboratorium w Los Alamos oraz Roberta Tiptona z Krajowego Laboratorium Lawrence'a Livermore'a, Scannapieco i Brueggen dodali własny element w postaci zaburzeń, którego nigdy wcześniej nie brano pod uwagę.
I to właśnie był ten kluczowy element w układance.
Zawirowania współgrają z czarną dziurą w celu utrzymania równowagi. Bez tych zawirowań, strumienie powstające wokół czarnej dziury byłyby coraz silniejsze, a gaz stałby się tak zimny, że przyczyniłby się do powstania rojów nowych gwiazd. Kiedy weźmiemy pod uwagę zawirowania to czarna dziura nie tylko równoważy proces chłodzenia, ale także podlega regularnym cyklom aktywności.
"Kiedy mamy zaburzony przepływ to występują przypadkowe zajścia o różnej wartości. Każdy wystrzał materiału wyrzuconego z dysku, powoduje powstanie zaburzeń, które sprawiają, że wszystko się ze sobą miesza," powiedział Scannapieco.
Wyniki Scannapieco i Brueggen'a pokazują, że występujące zawirowania przyczyniają się do zmieszania ogrzanych obszarów z tymi, które je otaczają tak więc chłodny gaz nie może dostać się do czarnej dziury, co z kolei wstrzymuje proces formowania się gwiazd.
Za każdym razem kiedy chłodny gaz dociera do czarnej dziury, zostaje on wystrzelony w postaci strumienia. To powoduje powstanie zawirowań, które mieszają ciepły gaz z zimnym. Taka mieszanina jest tak gorąca, że nie przylega ona do czarnej dziury. Strumień wygasa i nie występuje nic co mogłoby dalej powodować zawirowania więc zanikają one. W tym momencie, ciepły gaz nie miesza się już z zimnym, tak więc jądro gromady stygnie a tym samym więcej gazu zmierza w kierunku czarnej dziury.
Niedługo potem powstaje kolejny strumień i gaz po raz dochodzi do mieszania się gazu.
"Poprawiliśmy nasze symulacje tak aby mogły uchwycić te maleńkie ruchy wywołane zawirowaniami. Chociaż nie możemy ich zobaczyć, to jednak jesteśmy w stanie określić ich skutki. Czas w trakcie którego zawirowania wygasają jest dokładnie taki sam jak ten obserwowany pomiędzy wybuchami," dodał Scannpieco.
Najnowsze symulacje pokazują, że zawirowania wywołane przez strumienie materiału wyrzucanego z dysków największych we Wszechświecie czarnych dziur są odpowiedzialne za powstrzymywanie procesu formowania się gwiazd. Evan Scannapieco, docent w School of Earth and Space Exploration na uniwersytecie stanowym w Arizonie oraz Marcus Brueggen, profesor na uniwersytecie Jacobs w Bremen, zaprezentowali nowy model.
Trójwymiarowy obraz przedstawiający komputerową symulację temperatury gazu w stygnącej gromadzie gwiazd. Niebieski pierścień to schłodzony gaz na obrzeżach dysku czarnej dziury; czerwone i żółte smugi to ciepły gas wydobywający się z dysku. Starsze pęcherze pochodzące z wcześniejszych wybuchów są widoczne w lewej i prawej części obrazu. Zawirowania wywołane przez strumienie powodują mieszanie się ze sobą ciepłego i chłodnego materiału, co stabilizuje dalszy przyrost gazu i sprawia, że poziom gazu w gromadzie jest zrównoważony.
Żyjemy w hierarchicznym Wszechświecie gdzie małe struktury łączą się z większymi. Ziemia jest planetą w naszym układzie słonecznym, Układ Słoneczny znajduje się w galaktyce zwanej Drogą Mleczną, a galaktyki tworzą skupiska i gromady. Gromady są największymi strukturami we Wszechświecie. Badacze od dawna wiedzą, że gaz znajdujący się w centrum niektórych gromad galaktyk bardzo szybko ochładza się i zagęszcza, jednak zastanawiało ich to dlaczego ten zagęszczony gaz nie formuje gwiazd. Do niedawna nie istniał żaden model, który wyjaśniałby jak to możliwe, że tak właśnie się dzieje.
Scannapieco poświęcił dużą część swojego życia zawodowego na badanie ewolucji galaktyk i gromad. "Istnieją dwa rodzaje gromad – gromady z chłodnym jądrem oraz gromady bez chłodnego jądra," powiedział Scannapieco. "Gromady bez chłodnego jądra istnieją zbyt krótko aby były chłodne, natomiast gromady z chłodnym jądrem gwałtownie stygną, chociaż zgodnie z naszymi standardami są one nadal bardzo gorące."
Teleskopy promieniowania rentgenowskiego zrewolucjonizowały nasz zrozumienie tego co dzieje się wewnątrz gromad z chłodnym jądrem. Pomimo, iż gromady te mogą zawierać setki tysięcy galaktyk, to jednak są one głównie zbudowane z rozproszonego, ale bardzo gorącego gazu zwanego wewnątrz-gromadnym medium. Ten międzygalaktyczny gaz jest widoczny jedynie przy użyciu teleskopów rentgenowskich, która są w stanie zobrazować ich temperaturę i strukturę. Te obserwacje pokazują, że rozproszony gaz stygnie gwałtownie w centralnych obszarach gromad z chłodnym jądrem.
W centrum każdej z tych gromad znajduje się czarna dziura, miliardy razy masywniejsza niż Słońce. Niektóre media chłodzące łączą się z gęstym dyskiem otaczającym czarną dziurę, niektóre wchodzą do jej wnętrza, a jeszcze inne wystrzeliwują z niej. Obrazy rentgenowskie wyraźnie pokazują Strumienne wybuchy wyrzucanego materiału, które zachodzą w regularnych cyklach.
Jednak dlaczego te wybuchy były takie regularne, i dlaczego temperatura gazu chłodzącego nie spadła jeszcze bardziej, aby zapoczątkować proces formowania się gwiazd. Jakiś nieznany mechanizm równoważył zachodzące tam procesy.
"Wyglądało to tak jakby strumienie wydobywające się z czarnych dziur były w jakiś sposób odpowiedzialne za wstrzymanie procesu schładzania, jednak do niedawna nikt nie był w stanie powiedzieć w jaki sposób to dokładnie się dzieje," stwierdził Scannapieco.
Scannapieco i Brueggen skorzystali z ogromnych superkomputerów na uniwersytecie stanowym w Arizonie w celu stworzenia ich własnej trójwymiarowej symulacji gromady galaktyk otaczającej jedną z największych czarnych dziur we Wszechświecie. Wykorzystując wyjaśnienie opracowane przez Guya Diamonte z Krajowego Laboratorium w Los Alamos oraz Roberta Tiptona z Krajowego Laboratorium Lawrence'a Livermore'a, Scannapieco i Brueggen dodali własny element w postaci zaburzeń, którego nigdy wcześniej nie brano pod uwagę.
I to właśnie był ten kluczowy element w układance.
Zawirowania współgrają z czarną dziurą w celu utrzymania równowagi. Bez tych zawirowań, strumienie powstające wokół czarnej dziury byłyby coraz silniejsze, a gaz stałby się tak zimny, że przyczyniłby się do powstania rojów nowych gwiazd. Kiedy weźmiemy pod uwagę zawirowania to czarna dziura nie tylko równoważy proces chłodzenia, ale także podlega regularnym cyklom aktywności.
"Kiedy mamy zaburzony przepływ to występują przypadkowe zajścia o różnej wartości. Każdy wystrzał materiału wyrzuconego z dysku, powoduje powstanie zaburzeń, które sprawiają, że wszystko się ze sobą miesza," powiedział Scannapieco.
Wyniki Scannapieco i Brueggen'a pokazują, że występujące zawirowania przyczyniają się do zmieszania ogrzanych obszarów z tymi, które je otaczają tak więc chłodny gaz nie może dostać się do czarnej dziury, co z kolei wstrzymuje proces formowania się gwiazd.
Za każdym razem kiedy chłodny gaz dociera do czarnej dziury, zostaje on wystrzelony w postaci strumienia. To powoduje powstanie zawirowań, które mieszają ciepły gaz z zimnym. Taka mieszanina jest tak gorąca, że nie przylega ona do czarnej dziury. Strumień wygasa i nie występuje nic co mogłoby dalej powodować zawirowania więc zanikają one. W tym momencie, ciepły gaz nie miesza się już z zimnym, tak więc jądro gromady stygnie a tym samym więcej gazu zmierza w kierunku czarnej dziury.
Niedługo potem powstaje kolejny strumień i gaz po raz dochodzi do mieszania się gazu.
"Poprawiliśmy nasze symulacje tak aby mogły uchwycić te maleńkie ruchy wywołane zawirowaniami. Chociaż nie możemy ich zobaczyć, to jednak jesteśmy w stanie określić ich skutki. Czas w trakcie którego zawirowania wygasają jest dokładnie taki sam jak ten obserwowany pomiędzy wybuchami," dodał Scannpieco.
Źródło: Astronomy.com
Fotografia: E. Scannapieco/ M. Brueggen / ASU Fulton High Performance Computing Initiative
Tłumaczenie: Tomasz Lechański
Fotografia: E. Scannapieco/ M. Brueggen / ASU Fulton High Performance Computing Initiative
Tłumaczenie: Tomasz Lechański
Odpowiedz na pytanie zadane w sondzie.
Zjawiska oraz wydarzenia w nadchodzącym miesiącu.
Zagłosuj lub zgłoś swoją stronę.
Ostatnio pisaliście:
reling7
07.09.2009, 15:53