Jeturi ale unei găuri negre din Cygnus X-1: energie echivalentă a 10.000 de Soare și viteze de jumătate din viteza luminii

Sursa foto: Sciencedaily

O măsurătoare directă a puterii jeturilor

O echipă internațională de astronomi a reușit să cuantifice pentru prima dată puterea instantanee a jeturilor emise de o gaură neagră, arătând că fluxurile de materie îndreptate în spațiu pot avea o energie comparabilă cu cea a 10.000 de Soare. Observațiile s-au concentrat asupra sistemului Cygnus X-1, care conține prima gaură neagră confirmată și o stea supergigantă companionă, iar descoperirea oferă o confirmare importantă a modelelor teoretice privind modul în care găurile negre influențează mediul galactic.

Metoda: telescoape radio dispersate pe glob

Cercetătorii au folosit o rețea de telescoape radio răspândite pe întreaga planetă, lucru care a permis obținerea de imagini cu rezoluție foarte mare ale regiunii din jurul găurii negre. Această configurație, echivalentă cu un observator de dimensiunea Pământului, a scos în evidență detalii ale jeturilor care ar fi fost imposibil de detectat altfel.

Prin urmărirea modului în care jeturile au fost îndreptate și deformate de vânturile puternice provenite de la steaua supergigantă din sistem, echipa a putut să calculeze forța cu care acestea s-au opus acelor vânturi. Observațiile au fost realizate într-un moment precis, ceea ce a permis determinarea energiei instantanee a jeturilor, nu doar a unei medii pe termen lung, cum se întâmpla anterior în majoritatea estimărilor.

Vânturi stelare ca „senzori” ai puterii jeturilor

Fenomenul exploatat de echipă poate fi comparat cu modul în care rafalele puternice de vânt pot îndoi un jet de apă emis de o fântână: vântul stelei supergigante acționează ca un mediu care împinge și deviază fluxurile de particule emise de gaura neagră. Cunoscând proprietățile vântului și măsurând cât de mult au fost deviate jeturile, oamenii de știință au extras valoarea energiei transportate.

Această abordare a permis obținerea unei valori directe și punctuale a energiei transmise de jeturi în mediul înconjurător, o premieră care depășește limitările metodelor anterioare bazate pe medii temporale foarte lungi.

Rezultatele cheie: putere, viteză și eficiență energetică

Folosind tehnica de observație descrisă, echipa a determinat că jeturile emise din Cygnus X-1 au o putere echivalentă cu aproximativ 10.000 de Soare. În plus, măsurătorile arată că materiile din jeturi se deplasează cu viteze de aproximativ jumătate din viteza luminii, adică în jur de 150.000 de kilometri pe secundă.

O constatare esențială raportată de autorii studiului este proporția de energie a cărei destinație sunt jeturile. Conform declarației unuia dintre cercetători, aproximativ 10% din energia eliberată pe măsură ce materia se scufundă spre gaura neagră este transportată în spațiu de aceste jeturi. Această valoare corespunde presupunerilor folosite adesea în simulările teoretice la scară mare ale Universului, dar până acum confirmarea observațională directă a fost dificilă.

„Jeturi dansante” și urmărirea lor în orbită

Conducătorul studiului, Dr. Steve Prabu, care a lucrat la Curtin Institute of Radio Astronomy (CIRA) pe durata cercetării și care între timp activează la University of Oxford, a descris imagistica obținută ca o succesiune de cadre care surprind „jeturi dansante”. Denumirea reflectă comportamentul jeturilor care își schimbă direcția în mod repetat sub impulsul vânturilor puternice ale stelei supergigante în timp ce ambele obiecte se învârt în jurul centrului comun de masă.

Aceste serii de imagini au permis nu doar observarea efectului de deviere, ci și urmărirea variațiilor în timp ale orientării și forței jeturilor, oferind o perspectivă dinamică asupra proceselor din proximitatea găurii negre.

Implicații pentru fizica găurilor negre și evoluția galaxiilor

Coautorul studiului, profesorul James Miller-Jones, de la CIRA și nodul Curtin al ICRAR, a subliniat că tehnici anterioare puteau estima puterea jeturilor numai prin medii pe perioade extrem de lungi, uneori de ordinul a mii sau milioane de ani. Aceasta făcea dificilă corelarea directă între energia transportată de jeturi și radiația X produsă de materia care cade spre gaura neagră.

Profesorul Miller-Jones a explicat că, deoarece teoriile indică o similaritate a fizicii din jurul găurilor negre la scări foarte diferite de masă, această măsurătoare punctuală poate servi ca un punct de referință — un ancoraj — pentru a calibra în mod corespunzător puterea jeturilor emise de găuri negre atât cu mase de ordinul a 10 mase solare, cât și de ordinul a 10 milioane de mase solare.

În plus, autorii atrag atenția asupra rolului jeturilor ca mecanism de feedback energetic în mediul galactic: ele furnizează energie în mediul înconjurător și sunt esențiale pentru înțelegerea modului în care galaxiile evoluează de-a lungul timpului. Măsurarea directă a puterii jeturilor ajută la cuantificarea acestui feedback și la integrarea sa în modele cosmologice mai precise.

Perspective viitoare cu instrumente de mare putere

Autorii studiului menționează că proiecte radioastronomice de amploare, aflate în curs de construcție, vor permite detectarea jeturilor provenind din milioane de galaxii îndepărtate. Un exemplu notabil este Square Kilometre Array Observatory (SKAO), configurat în Australia de Vest și în Africa de Sud, ale cărui capabilități vor extinde semnificativ portofoliul de obiecte studiate.

Odată cu detectarea unui număr foarte mare de jeturi la distanțe cosmice, măsurătoarea oferită de acest studiu asupra Cygnus X-1 va servi drept reper pentru calibrările viitoare, contribuind la estimări mai precise ale puterii totale a jeturilor în univers și la înțelegerea impactului lor la scară galactică.

Colaborare internațională și publicare

Proiectul a fost condus de Curtin Institute of Radio Astronomy (CIRA) și de nodul Curtin al International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR), cu contribuții semnificative din partea University of Oxford. Alte instituții implicate în acest efort științific includ University of Barcelona, University of Wisconsin–Madison, University of Lethbridge și Institute of Space Science.

Studiul a fost publicat în revista Nature Astronomy, oferind detalii tehnice și interpretative ale măsurătorilor, iar o prezentare a rezultatului a fost făcută și prin intermediul platformei ScienceDaily.

Autorii subliniază că măsurarea directă a puterii jeturilor reprezintă un salt înainte în cuantificarea modului în care găurile negre transferă energie în mediul lor înconjurător și în validarea parametrilor utilizați de obicei în simulările la scară mare ale evoluției universului.