Το παρατηρήσιμο Σύμπαν είναι ένα εξαιρετικά μεγάλο μέρος, με διάμετρο περίπου 91 δισεκατομμύρια έτη φωτός. Ως αποτέλεσμα, οι αστρονόμοι αναγκάζονται να βασίζονται σε ισχυρά όργανα για να δουν μακρινά αντικείμενα. Αλλά ακόμη και αυτές μερικές φορές είναι περιορισμένες και πρέπει να συνδυαστούν με μια τεχνική γνωστή ως βαρυτικό φακό. Αυτό περιλαμβάνει τη στήριξη σε μια μεγάλη κατανομή ύλης (γαλαξία ή αστέρι) για να μεγεθύνει το φως που προέρχεται από ένα μακρινό αντικείμενο.
Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής ερευνητές από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (Caltech) Ραδιοπαρατηρητήριο Owens Valley (OVRO) ήταν σε θέση να παρατηρήσουν πίδακες θερμού αερίου που εκτοξεύονταν από μια υπερμεγέθη μαύρη τρύπα σε έναν μακρινό γαλαξία (γνωστό ως PKS 1413 + 135). Η ανακάλυψη παρείχε την καλύτερη εικόνα μέχρι σήμερα για τους τύπους θερμών αερίων που συχνά ανιχνεύονται προερχόμενοι από τα κέντρα των υπερμεγέθων μαύρων τρυπών (SMBH).
Τα ευρήματα της έρευνας περιγράφηκαν στο δύο σπουδές που δημοσιεύτηκαν στο τεύχος 15 Αυγούστου τουThe Astrophysical Journal.Και οι δύο διευθύνονταν από τον Harish Vedantham, μεταδιδακτορικό υπότροφο του Caltech Millikan, και ήταν μέρος ενός διεθνούς έργου με επικεφαλής τον Anthony Readhead – τον Robinson Professor of Astronomy, Επίτιμο και διευθυντή του OVRO.
Το Owens Valley Radio Observatory (OVRO) – που βρίσκεται κοντά στο Bishop της Καλιφόρνια – είναι ένα από τα μεγαλύτερα πανεπιστημιακά ραδιοπαρατηρητήρια στον κόσμο. Πίστωση: ovro.caltech.edu
Αυτό το έργο OVRO είναι ενεργό από το 2008, πραγματοποιώντας δύο φορές την εβδομάδα παρατηρήσεις περίπου 1.800 ενεργών SMBH και των αντίστοιχων γαλαξιών τους χρησιμοποιώντας το τηλεσκόπιο 40 μέτρων. Αυτές οι παρατηρήσεις έγιναν προς υποστήριξη της NASA Διαστημικό τηλεσκόπιο ακτίνων γάμμα Fermi , η οποία διεξήγαγε παρόμοιες μελέτες για αυτούς τους γαλαξίες και τους SMBH τους κατά την ίδια περίοδο.
Όπως ανέφερε η ομάδα στις δύο μελέτες της, αυτές οι παρατηρήσεις έδωσαν νέα εικόνα για τις συστάδες ύλης που εκτοξεύονται περιοδικά από υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες, καθώς και ανοίγοντας νέες δυνατότητες για έρευνα βαρυτικού φακού. Όπως έδειξε ο Δρ. Vedantham σε πρόσφατο Caltech δήλωση τύπου :
«Γνωρίζουμε για την ύπαρξη αυτών των συστάδων υλικού που ρέουν κατά μήκος πίδακες μαύρης τρύπας και ότι κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός, αλλά δεν είναι γνωστά πολλά για την εσωτερική τους δομή ή τον τρόπο εκτόξευσης. Με συστήματα φακού όπως αυτό, μπορούμε να δούμε τις συστάδες πιο κοντά στον κεντρικό κινητήρα της μαύρης τρύπας και με πολύ περισσότερες λεπτομέρειες από πριν».
Ενώ όλοι οι μεγάλοι γαλαξίες πιστεύεται ότι έχουν ένα SMBH στο κέντρο του γαλαξία τους, δεν έχουν όλοι πίδακες θερμού αερίου που τους συνοδεύουν. Η παρουσία τέτοιων πίδακα συνδέεται με αυτό που είναι γνωστό ως an Ενεργός Γαλαξιακός Πυρήνας (AGN), μια συμπαγής περιοχή στο κέντρο ενός γαλαξία που είναι ιδιαίτερα φωτεινή σε πολλά μήκη κύματος - συμπεριλαμβανομένης της ακτινοβολίας ραδιοφώνου, μικροκυμάτων, υπέρυθρων, οπτικών, υπεριωδών, ακτίνων Χ και ακτίνων γάμμα.
Απεικόνιση που δείχνει την πιθανή διαμόρφωση ενός συστήματος βαρυτικού φακού που ανακαλύφθηκε από την OVRO. Πίστωση: Anthony Readhead/Caltech/MOJAVE
Αυτοί οι πίδακες είναι το αποτέλεσμα υλικού που έλκεται προς ένα SMBH, μερικά από τα οποία καταλήγουν να εκτοξεύονται με τη μορφή θερμού αερίου. Το υλικό σε αυτά τα ρεύματα ταξιδεύει με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός και τα ρεύματα είναι ενεργά για περιόδους που κυμαίνονται από 1 έως 10 εκατομμύρια χρόνια. Ενώ τις περισσότερες φορές, οι πίδακες είναι σχετικά συνεπείς, κάθε λίγα χρόνια, φτύνουν επιπλέον συστάδες θερμής ύλης.
Πίσω στο 2010, οι ερευνητές του OVRO παρατήρησαν ότι οι ραδιοεκπομπές του PKS 1413 + 135 είχαν λαμπρύνει, ξεθωριάσει και στη συνέχεια λάμβανε ξανά κατά τη διάρκεια ενός έτους. Το 2015 παρατήρησαν την ίδια συμπεριφορά και έκαναν λεπτομερή ανάλυση. Αφού απέκλεισαν άλλες πιθανές εξηγήσεις, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η συνολική λάμψη πιθανότατα προκλήθηκε από δύο συστάδες υλικού υψηλής ταχύτητας που εκτινάχθηκαν από τη μαύρη τρύπα.
Αυτές οι συστάδες ταξίδεψαν κατά μήκος του πίδακα και μεγεθύνθηκαν όταν πέρασαν πίσω από τον βαρυτικό φακό που χρησιμοποιούσαν για τις παρατηρήσεις τους. Αυτή η ανακάλυψη ήταν αρκετά τυχαία και ήταν το αποτέλεσμα πολλών ετών αστρονομικής μελέτης. Όπως εξήγησε ο Timothy Pearson, ανώτερος ερευνητής στο Caltech και συν-συγγραφέας στην εργασία:
«Χρειάστηκαν παρατηρήσεις ενός τεράστιου αριθμού γαλαξιών για να βρεθεί αυτό το αντικείμενο με τις συμμετρικές βυθίσεις στη φωτεινότητα που δείχνουν την παρουσία ενός βαρυτικού φακού. Τώρα ψάχνουμε σκληρά όλα τα άλλα δεδομένα μας για να προσπαθήσουμε να βρούμε παρόμοια αντικείμενα που μπορούν να δώσουν μια μεγεθυμένη άποψη των γαλαξιακών πυρήνων».
Αναπαράσταση καλλιτέχνη ενός ενεργού γαλαξιακού πυρήνα (AGN) στο κέντρο ενός γαλαξία. Πιστώσεις: NASA/CXC/M.Weiss
Αυτό που ήταν επίσης συναρπαστικό με τις παρατηρήσεις της διεθνούς ομάδας ήταν η φύση του «φακού» που χρησιμοποιούσαν. Στο παρελθόν, οι επιστήμονες βασίστηκαν σε τεράστιους φακούς (δηλαδή ολόκληρους γαλαξίες) ή μικροφακούς που αποτελούνταν από μεμονωμένα αστέρια. Ωστόσο, η ομάδα με επικεφαλής τον Δρ. Vedantham και τον Dr. Readhead βασίστηκε σε έναν αυτό που περιγράφουν ως «χιλιοστό φακό» περίπου 10.000 ηλιακών μαζών.
Αυτή θα μπορούσε να είναι η πρώτη μελέτη στην ιστορία που βασίστηκε σε φακό μεσαίου μεγέθους, ο οποίος πιστεύουν ότι είναι πιθανότατα ένα αστρικό σμήνος. Ένα από τα πλεονεκτήματα ενός φακού μεγέθους milli είναι ότι δεν είναι αρκετά μεγάλος ώστε να εμποδίζει ολόκληρη την πηγή φωτός, καθιστώντας ευκολότερο τον εντοπισμό μικρότερων αντικειμένων. Με αυτό το νέο σύστημα βαρυτικού φακού, εκτιμάται ότι οι αστρονόμοι θα μπορούν να παρατηρούν συστάδες σε κλίμακες περίπου 100 φορές μικρότερες από πριν. Όπως εξήγησε ο Readhead:
«Οι συστάδες που βλέπουμε είναι πολύ κοντά στην κεντρική μαύρη τρύπα και είναι μικροσκοπικές – μόνο λίγες μέρες φωτός. Πιστεύουμε ότι αυτά τα μικροσκοπικά στοιχεία που κινούνται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός μεγεθύνονται από έναν βαρυτικό φακό στον σπειροειδή γαλαξία στο προσκήνιο. Αυτό παρέχει εξαιρετική ανάλυση ενός εκατομμυριοστού του δευτερολέπτου τόξου, που ισοδυναμεί με την προβολή ενός κόκκου άλατος στο φεγγάρι από τη Γη».
Επιπλέον, οι ερευνητές υποδεικνύουν ότι ο ίδιος ο φακός παρουσιάζει επιστημονικό ενδιαφέρον, για τον απλούστατο λόγο ότι δεν είναι γνωστά πολλά για αντικείμενα σε αυτό το εύρος μάζας. Αυτό το δυνητικό αστρικό σμήνος θα μπορούσε επομένως να λειτουργήσει ως ένα είδος εργαστηρίου, δίνοντας στους ερευνητές την ευκαιρία να μελετήσουν το βαρυτικό milli-φακό, παρέχοντας επίσης μια σαφή εικόνα των πυρηνικών πίδακες που ρέουν από ενεργούς γαλαξιακούς πυρήνες.
Εικόνα του τηλεσκοπίου 40 μέτρων του ραδιοπαρατηρητηρίου της κοιλάδας του Όουενς (OVRO), που βρίσκεται κοντά στο Μπίσοπ της Καλιφόρνια. Πίστωση: Anthony Readhead/Caltech
Κοιτάζοντας το μέλλον, η ομάδα ελπίζει να επιβεβαιώσει τα αποτελέσματα των μελετών της χρησιμοποιώντας μια άλλη τεχνική γνωστή ως Συμβολομετρία πολύ μεγάλης γραμμής βάσης (VLBI). Αυτό θα περιλαμβάνει ραδιοτηλεσκόπια από όλο τον κόσμο που θα λαμβάνουν λεπτομερείς εικόνες του PKS 1413 + 135 και του SMBH στο κέντρο του. Δεδομένων των όσων έχουν παρατηρήσει μέχρι στιγμής, είναι πιθανό αυτό το SMBH να φτύσει άλλη μια συστάδα ύλης σε λίγα χρόνια (μέχρι το 2020).
Οι Vedantham, Readhead και οι συνάδελφοί τους σχεδιάζουν να είναι έτοιμοι για αυτό το γεγονός. Ο εντοπισμός αυτής της επόμενης συστάδας δεν θα επικύρωνε μόνο τις πρόσφατες μελέτες τους, αλλά θα επικύρωνε επίσης την τεχνική των χιλιοστών φακών που χρησιμοποίησαν για τη διεξαγωγή των παρατηρήσεών τους. Όπως ανέφερε ο Readhead, «Δεν θα μπορούσαμε να κάνουμε τέτοιες μελέτες χωρίς ένα πανεπιστημιακό παρατηρητήριο όπως το ραδιοπαρατηρητήριο Owens Valley, όπου έχουμε τον χρόνο να αφιερώσουμε ένα μεγάλο τηλεσκόπιο αποκλειστικά σε ένα μόνο πρόγραμμα».
Οι μελέτες κατέστησαν δυνατές χάρη στη χρηματοδότηση που παρείχε η NASA, η Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF), το Ίδρυμα Smithsonian , ο Sinica Academy , ο Ακαδημία της Φινλανδίας , και το Χιλιανό Κέντρο Αριστείας στην Αστροφυσική και τις Συναφείς Τεχνολογίες (ΚΑΤΑ).
Περαιτέρω ανάγνωση: Caltech , The Astrophysical Journal , The Astrophysical Journal (2)