Οι ραδιογαλαξίες σχήματος Χ μπορεί να σχηματίζονται πολύ πιο απλά από όσο αναμενόταν
Όταν οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν ραδιοτηλεσκόπια για να κοιτάξουν τον νυχτερινό ουρανό, συνήθως παρατηρούν γαλαξίες ελλειπτικού σχήματος, με δίδυμους πίδακες να εκτοξεύονται από κάθε πλευρά της κεντρικής υπερμεγέθους μελανής οπής τους. Αλλά κάθε τόσο -για λιγότερο από το 10% του χρόνου- οι αστρονόμοι μπορεί να εντοπίσουν κάτι ιδιαίτερο και σπάνιο: Έναν ραδιογαλαξία σε σχήμα Χ, με τέσσερις πίδακες να εκτείνονται μακριά στο διάστημα.
Παρά το ότι αυτοί οι μυστηριώδεις, σχήματος Χ ραδιογαλαξίες έχουν μπερδέψει τους αστροφυσικούς εδώ και δύο δεκαετίες, μια νέα μελέτη του Northwestern University μας δίνει μια νέα εικόνα για το πώς σχηματίζονται· και είναι εκπληκτικά απλή. Ένα επιπλέον συμπέρασμα της μελέτης είναι ότι οι ραδιογαλαξίες σε σχήμα Χ μπορεί να είναι πιο συνηθισμένοι από όσο πιστεύαμε μέχρι τώρα.
Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 29 Αυγούστου στο περιοδικό “Astrophysical Journal Letters”. Σηματοδοτεί την πρώτη μεγάλης κλίμακας προσομοίωση γαλαξιακής συσσώρευσης που παρακολουθεί το γαλαξιακό αέριο μακριά από την υπερμεγέθη μελανή οπή, στον δρόμο προς αυτήν.
Απλές συνθήκες οδηγούν σε περίπλοκο αποτέλεσμα
Χρησιμοποιώντας νέες προσομοιώσεις, οι αστροφυσικοί του Northwestern εφάρμοσαν απλές συνθήκες για να μοντελοποιήσουν την τροφοδοσία μιας υπερμεγέθους μαύρης τρύπας και τον σχηματισμό των πιδάκων και του δίσκου προσαύξησής της. Όταν οι ερευνητές έτρεξαν την προσομοίωση, οι απλές συνθήκες οδήγησαν απροσδόκητα στο σχηματισμό ενός ραδιογαλαξία σε σχήμα Χ.
Με έκπληξη, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το χαρακτηριστικό σχήμα Χ του γαλαξία προέκυψε από την αλληλεπίδραση μεταξύ των πιδάκων και του αερίου που πέφτει μέσα στην μελανή οπή. Στην αρχή της προσομοίωσης, το εισερχόμενο αέριο εμπόδιζε τους νεοσχηματισμένους πίδακες, οι οποίοι χάνονταν και επανεμφανίζονταν, ταλαντεύονταν ακανόνιστα και διόγκωναν ζεύγη κοιλοτήτων σε διαφορετικές κατευθύνσεις έτσι ώστε να προσομοιάζουν με το σχήμα Χ. Όμως τελικά, οι πίδακες έγιναν αρκετά ισχυροί για να σπρώξουν το αέριο. Σε αυτό το σημείο, οι πίδακες σταθεροποιήθηκαν, σταμάτησαν να ταλαντεύονται και άρχισαν να διαδίδονται κατά μήκος ενός άξονα.
10% των παρατηρούμενων ραδιογαλαξιών έχουν σχήμα Χ
«Διαπιστώσαμε πως ακόμη και με απλές συμμετρικές αρχικές συνθήκες, μπορούμε να έχουμε ένα αρκετά περίπλοκο αποτέλεσμα», δήλωσε ο Αρεταίος Λαλάκος του Northwestern , ο οποίος ηγήθηκε της μελέτης. «Μια δημοφιλής ερμηνεία της ύπαρξης των ραδιογαλαξιών σε σχήμα Χ αφορά στην σύγκρουση δύο γαλαξιών, η οποία προκαλεί την συγχώνευση των υπερμεγέθων μελανών οπών τους, κάτι που μεταβάλλει την περιστροφή της μελανής οπής που απομένει, καθώς και την κατεύθυνση του πίδακα. Μια άλλη ιδέα υποθέτει ότι το σχήμα του πίδακα αλλάζει καθώς αυτός αλληλεπιδρά με το μεγάλης κλίμακας αέριο που περιβάλλει μια απομονωμένη υπερμεγέθη μελανή οπή. Τώρα, αποκαλύψαμε για πρώτη φορά, ότι οι ραδιογαλαξίες σχήματος Χ στην πραγματικότητα μπορούν να σχηματιστούν με πολύ πιο απλό τρόπο».
Ο Λαλάκος είναι μεταπτυχιακός φοιτητής στο “Weinberg College of Arts and Sciences” του Northwestern και μέλος του “Center for Interdisciplinary Exploration and Research in Astrophysics” (CIERA). Ένας από τους υπεύθυνους των σπουδών του είναι ο συν-συγγραφέας της εργασίας Sasha Tchekhovskoy , επίκουρος καθηγητής Φυσικής και Αστρονομίας στο Northwestern.
Τυχαία, ένα σχήμα Χ
Οι ραδιογαλαξίες πέρα από το ορατό φως, εκπέμπουν επίσης σε μεγάλες περιοχές των ραδιοκυμάτων. Ο πιο διάσημος ραδιογαλαξίας είναι ίσως ο M87, ένας από τους γαλαξίες με την μεγαλύτερη μάζα, ο οποίος έγινε “διάσημος” το 2019 όταν το τηλεσκόπιο Event Horizon απεικόνισε την κεντρική υπερμεγέθη μελανή οπή του. Αναγνωρισμένοι για πρώτη φορά το 1992, οι ραδιογαλαξίες σε σχήμα Χ αποτελούν λιγότερο από το 10% όλων των ραδιογαλαξιών.
Όταν ο Λαλάκος ξεκίνησε για να δημιουργήσει το μοντέλο μίας μελανής οπής, δεν περίμενε να προσομοιώσει έναν γαλαξία σε σχήμα Χ. Αντί γι αυτό, ο στόχος του ήταν να μετρήσει την ποσότητα μάζας που καταναλώνει μια μελανή οπή. Εισήγαγε απλές αστρονομικές συνθήκες στην προσομοίωση και την άφησε να τρέξει. Ο ίδιος δεν αναγνώρισε αρχικά τη σημασία του αναδυόμενου σχήματος Χ, όμως ο Tchekhovskoy αντέδρασε με ενθουσιασμό.
Είπε: «Φίλε (Dude), αυτό είναι πολύ σημαντικό! Αυτό είναι ένα σχήμα Χ!» λέει ο Λαλάκος. «Μου είπε πως οι αστρονόμοι έχουν παρατηρήσει αυτό το σχήμα χωρίς να γνωρίζουν το πώς δημιουργείται. Το δημιουργήσαμε με έναν τρόπο που κανείς δεν είχε καν εικάσει προηγουμένως.»
Άλλοι αστροφυσικοί, σε προηγούμενες προσομοιώσεις, προσπάθησαν να δημιουργήσουν τεχνητά δομές σε σχήμα Χ για να μελετήσουν το πώς προκύπτουν. Όμως η προσομοίωση του Λαλάκου οδήγησε αβίαστα -μέσω των χαρακτηριστικών του μοντέλου- στο σχήμα Χ.
«Στην προσομοίωση μου, προσπάθησα να μην υποθέσω τίποτα», δηλώνει ο ίδιος. «Συνήθως, οι ερευνητές τοποθετούν μια μελανή οπή στη μέση ενός πλέγματος προσομοίωσης, τοποθετούν έναν μεγάλο -ήδη σχηματισμένο- αέριο δίσκο γύρω από αυτήν, και στη συνέχεια μπορούν να προσθέσουν αέριο στην περιοχή έξω από το δίσκο. Σε αυτή τη μελέτη, η προσομοίωση ξεκινά χωρίς δίσκο, όμως αυτός σχηματίζεται σύντομα, καθώς το περιστρεφόμενο αέριο πλησιάζει πιο κοντά στη μελανή οπή. Στη συνέχεια, ο δίσκος τροφοδοτεί τη μελανή οπή και δημιουργεί πίδακες. Έκανα τις απλούστερες πιθανές υποθέσεις, οπότε το όλο αποτέλεσμα ήταν μια έκπληξη. Αυτή είναι η πρώτη φορά που κάποιος παρατηρεί μορφολογία σχήματος Χ σε προσομοιώσεις από πολύ απλές αρχικές συνθήκες».
«Όχι αρκετά τυχεροί για να τους δούμε»
Επειδή το σχήμα Χ εμφανίστηκε μόνο νωρίς κατά την προσομοίωση -μέχρι να ενισχυθούν και σταθεροποιηθούν οι πίδακες- ο Λαλάκος πιστεύει πως οι ραδιογαλαξίες σε σχήμα Χ μπορεί να εμφανίζονται πιο συχνά -αλλά να διαρκούν πολύ λίγο- στο σύμπαν από ό,τι πιστεύαμε προηγουμένως.
«Μπορεί να εμφανίζονται κάθε φορά που η μελανή οπή λαμβάνει νέο αέριο και αρχίζει να τρέφεται ξανά», λέει. «Οπότε, ενδεχομένως να εμφανίζονται συχνά, αλλά ίσως να μην είμαστε αρκετά τυχεροί για να τους δούμε, καθώς υπάρχουν μόνο για όσο διάστημα η ισχύς του πίδακα είναι πολύ αδύναμη για να απομακρύνει το αέριο».
Για την συνέχεια, ο Λαλάκος σκοπεύει να συνεχίσει να τρέχει προσομοιώσεις, για να κατανοήσει καλύτερα πώς προκύπτουν αυτά τα σχήματα Χ. Σχεδιάζει να πειραματιστεί με το μέγεθος των δίσκων προσαύξησης και τις περιστροφές των κεντρικών μελανών οπών. Καμία από τις άλλες προσομοιώσεις, στις οποίες ο Λαλάκος συμπεριέλαβε δίσκους προσαύξησης (από σχεδόν ανύπαρκτους έως εξαιρετικά μεγάλους) δεν οδήγησε στο δυσεύρετο σχήμα Χ.
«Για το μεγαλύτερο μέρος του σύμπαντος, είναι αδύνατο να ζουμάρουμε ακριβώς στο κέντρο και να δούμε τι συμβαίνει πολύ κοντά σε μια μελανή οπή», εξηγεί ο Λαλάκος. «Ακόμη και για αυτά που μπορούμε να παρατηρήσουμε, είμαστε περιορισμένοι από τον χρόνο. Δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε την εξέλιξή μιας υπερμεγέθους μελανής οπής εάν αυτή έχει ήδη σχηματιστεί, επειδή η ανθρώπινη ζωή είναι πολύ μικρή. Στις περισσότερες περιπτώσεις, βασιζόμαστε σε προσομοιώσεις για να καταλάβουμε τι συμβαίνει κοντά σε μια μελανή οπή».
Παραπομπές: Bridging the Bondi and Event Horizon Scales: 3D GRMHD Simulations Reveal X-shaped Radio Galaxy Morphology
Πηγή: https://news.northwestern.edu/
