Najciekawsze jest to, że nie chodzi tu o kolejną efektowną ilustrację czarnej dziury, tylko o pomiar czegoś, co długo wymykało się bezpośredniemu uchwyceniu. Wcześniej moc dżetów z takich układów dało się zwykle szacować tylko w bardzo szerokim uśrednieniu, rozciągniętym nawet na tysiące lat. Tym razem badacze wykorzystali 18 lat wysokorozdzielczych obserwacji radiowych i zdołali odczytać chwilową siłę tych strug dużo bardziej bezpośrednio. To trochę jak różnica między oceną siły wiatru po tym, jak przez wieki wyginał drzewa, a złapaniem go dokładnie wtedy, gdy szarpie żaglem.
To ważne nie tylko dla samego Cygnusa X-1. Dżety z czarnych dziur są jednym z mechanizmów, które pomagają im wpływać na otoczenie: podgrzewać gaz, mieszać materię, a w większej skali nawet współkształtować ewolucję galaktyk. Kiedy wreszcie da się dobrze zmierzyć ich moc, astronomia przestaje zgadywać na podstawie skutków i zaczyna dokładniej liczyć, jak wygląda energetyczny budżet takich układów.
Czarna dziura, która nie tylko pożera, ale też wyrzuca
Cygnus X-1 to jeden z najbardziej klasycznych obiektów w astronomii wysokich energii. Leży około 7200 lat świetlnych od Ziemi i tworzy układ z masywną, niebieską gwiazdą nadolbrzymem. Sama czarna dziura była pierwszą potwierdzoną czarną dziurą odkrytą przez astronomów, więc nie jest tu mowy o nowym egzotycznym obiekcie z marginesu katalogów. To raczej stary znajomy, który po dekadach obserwacji właśnie zdradził coś, czego wcześniej nie umieliśmy z niego wyciągnąć.
Materiał z gwiazdy towarzyszącej opada w stronę czarnej dziury, tworząc rozgrzany dysk akrecyjny. W takich warunkach silne pola magnetyczne mogą organizować część materii w dwa przeciwległe dżety, wyrzucane nad i pod dyskiem. To one są bohaterem nowej pracy. Nie świecą tak widowiskowo jak hollywoodzka wizja kosmicznej eksplozji, ale robią coś znacznie ciekawszego: wyprowadzają ogromną ilość energii daleko od samej czarnej dziury.
W przypadku Cygnusa X-1 te strugi nie lecą jednak przez pustkę jak laser w próżni. Są szarpane przez silny wiatr gwiazdowy pochodzący od towarzyszącej gwiazdy. To właśnie ten detal okazał się złotem dla astronomów. Dżety zaczynają się wyginać i “tańczyć”, a po stopniu tego wygięcia można wyliczyć ich rzeczywistą moc. Brzmi trochę jak sztuczka z fizyki stosowanej, ale w gruncie rzeczy to bardzo elegancki pomysł: skoro znasz siłę bocznego wiatru i widzisz, jak mocno odchyla on strugę, możesz wreszcie policzyć, z czym naprawdę masz do czynienia.
Pierwszy taki pomiar i bardzo niewygodna liczba
Badacze oszacowali, że chwilowa moc dżetów Cygnusa X-1 odpowiada mocy około 10 tys. Słońc. Do tego dochodzi prędkość rzędu 540 mln km/h, czyli mniej więcej połowy prędkości światła. To nie jest już subtelny kosmiczny podmuch. To raczej gigantyczny akcelerator cząstek pracujący bez chwili zawahania.
W pracy pojawia się też jeszcze jedna liczba, moim zdaniem nawet ciekawsza niż samo porównanie do Słońca. Około 10% energii materii opadającej na czarną dziurę jest odprowadzane właśnie przez dżety. To bardzo dużo. Gdy człowiek myśli o czarnej dziurze, intuicyjnie widzi system skrajnie zachłanny. Tymczasem okazuje się, że część tego kosmicznego “posiłku” wraca na zewnątrz w formie brutalnie energetycznych strug. To trochę jak piec, który nie tylko pożera opał, ale jeszcze wybija dziurę w ścianie i wypuszcza przez nią ogień na pół okolicy.
Właśnie dlatego ten wynik ma znaczenie szersze niż jeden medialny nagłówek o potędze czarnej dziury. Jeśli taki pomiar da się wykonać w układzie gwiazdowym, to można lepiej kalibrować modele dotyczące także dużo większych czarnych dziur w centrach galaktyk. A tam dżety potrafią wpływać nie na jedną sąsiednią gwiazdę, lecz na całe ogromne obszary gazu i na tempo powstawania nowych gwiazd.
“Tańczące” dżety okazały się lepsze niż idealnie proste
Zwykle astronomowie marzą o obiektach możliwie czystych, prostych i łatwych do modelowania. A tu właśnie zaburzenie okazało się skarbem. Gdyby wiatr gwiazdowy nie wyginał dżetów, dużo trudniej byłoby z nich wyciągnąć bezpośredni pomiar mocy. To tak, jakby ktoś latami próbował ocenić siłę wodnego strumienia, a odpowiedź dostał dopiero wtedy, gdy wiatr zaczął ten strumień odchylać. Nagle sam chaos stał się narzędziem pomiaru.
Do tego potrzebny był jeszcze inny luksus: czas. Nie chodzi o jedną noc obserwacyjną ani o spektakularny błysk uchwycony przypadkiem, lecz o 18 lat danych z sieci radioteleskopów o bardzo wysokiej rozdzielczości. W astronomii często właśnie tak przychodzi najbardziej wartościowa wiedza, jako efekt cierpliwego składania obrazu z wielu lat i wielu punktów obserwacyjnych.
To również dobra lekcja wobec popularnego wyobrażenia, że czarne dziury to głównie obiekty do straszenia. W rzeczywistości najciekawsze są wtedy, gdy przestają być metaforą otchłani, a zaczynają być laboratorium skrajnej fizyki. Cygnus X-1 nie jest tu bohaterem dlatego, że “pożera wszystko”, tylko dlatego, że daje się czytać jak bardzo wymagający układ hydrauliki i elektromagnetyzmu w warunkach, których na Ziemi nie da się odtworzyć.
Źródło: IFL Science
