Gelembung besar di pusat Bima Sakti disebabkan oleh lubang hitam supermasif

Pada tahun 2020, Teleskop sinar-X eRosita menangkap gambar dua gelembung besar yang membentang jauh di atas dan di bawah pusat galaksi kita.

Sejak itu, para astronom memperdebatkan asal usul mereka. Sekarang, sebuah penelitian yang mencakup penelitian dari University of Michigan menunjukkan bahwa gelembung-gelembung itu adalah hasil dari pencurahan aktivitas yang kuat dari lubang hitam supermasif di pusat Bima Sakti. Studi yang dipublikasikan di astronomi alamjuga menunjukkan bahwa jet mulai melepaskan materi sekitar 2,6 juta tahun yang lalu, dan berlangsung sekitar 100.000 tahun.

Temuan tim menunjukkan bahwa gelembung Fermi, ditemukan pada 2010, dan kabut gelombang mikro — kabut partikel bermuatan secara kasar di pusat galaksi — terbentuk dari aliran energi yang sama dari lubang hitam supermasif. Studi tersebut dipimpin oleh National Tsing Hua University bekerjasama dengan UM dan University of Wisconsin.

“Temuan kami penting dalam arti bahwa kami perlu memahami bagaimana lubang hitam berinteraksi dengan galaksi di dalamnya, karena interaksi ini memungkinkan lubang hitam ini tumbuh dengan cara yang terkendali daripada secara terkendali. [growing] “Tidak terkendali,” kata astronom UM Mateusz Roskowski, rekan penulis studi tersebut. “Jika Anda percaya pada model gelembung Fermi OE Rosetta ini sebagai penggerak lubang hitam supermasifAnda dapat mulai menjawab pertanyaan-pertanyaan mendalam ini.”

Ada dua model bersaing yang menjelaskan gelembung ini, yang disebut gelembung Fermi dan eRosita setelah teleskop dinamai Ruszkowski. Yang pertama menunjukkan bahwa aliran keluar didorong oleh ledakan bintang nuklir, di mana sebuah bintang meledak dalam supernova dan mengeluarkan material. Model kedua, didukung oleh temuan tim, menunjukkan bahwa arus keluar ini didorong oleh energi dari lubang hitam supermasif di pusat galaksi kita.

Aliran keluar dari lubang hitam ini terjadi saat material bergerak menuju lubang hitam, tetapi mereka tidak pernah melintasi cakrawala peristiwa lubang hitam, atau permukaan matematis di bawahnya di mana tidak ada yang bisa lolos. Karena sebagian dari materi ini dikembalikan ke luar angkasa, lubang hitam Itu tidak tumbuh tak terkendali. Tetapi energi yang dilepaskan oleh lubang hitam memindahkan material di dekat lubang hitam, menghasilkan gelembung-gelembung besar ini.

Struktur itu sendiri setinggi 11 kiloparsec. Satu parsec sama dengan 3,26 tahun cahaya, atau sekitar tiga kali jarak yang ditempuh cahaya selama setahun. Strukturnya, kemudian, berukuran sekitar 36.000 tahun cahaya.

Sebagai perbandingan, Bima Sakti memiliki diameter 30 kilofresques, dan tata surya kita terletak sekitar 8 kilofresques dari pusat galaksi. Gelembung eRosita berukuran dua kali lebih besar dari gelembung Fermi dan diperluas oleh gelombang energi, atau gelombang kejut, yang didorong oleh gelembung Fermi, menurut para peneliti.

Para astronom tertarik untuk memperhatikan gelembung eRosita khususnya karena mereka terjadi di halaman belakang galaksi kita sendiri daripada objek di galaksi yang berbeda atau pada jarak kosmik yang ekstrem. Kedekatan kami dengan arus keluar berarti para astronom dapat mengumpulkan sejumlah besar data, kata Roskowski. Data ini dapat memberi tahu para astronom berapa banyak energi yang ada di bidang lubang hitam, berapa lama energi ini disuntikkan, dan dari bahan apa gelembung itu dibuat.

Simulasi sifat gas dan CR. kredit: astronomi alam (2022). DOI: 10.1038 / s41550-022-01618-x

“Kami tidak hanya dapat mengesampingkan model ledakan bintang, tetapi kami juga dapat menyesuaikan parameter yang diperlukan untuk menghasilkan gambar yang sama, atau sesuatu yang sangat mirip dengan apa yang ada di langit, dalam model lubang hitam supermasif,” kata Roskowski. “Kita dapat membatasi hal-hal tertentu dengan lebih baik, seperti berapa banyak energi yang dipompa, apa yang ada di dalam gelembung-gelembung itu, dan berapa lama energi disuntikkan untuk menghasilkan gelembung-gelembung ini.”

Apa yang ada di dalamnya? Sinar kosmik, suatu bentuk radiasi energi tinggi. eRosita Bubbles berisi gelembung Fermi, isinya tidak diketahui. Tetapi model para peneliti dapat memprediksi jumlah sinar kosmik di dalam masing-masing struktur. Injeksi energi dari lubang hitam menggelembungkan gelembung, dan energi itu sendiri dalam bentuk energi kinetik, termal, dan sinar kosmik. Dari bentuk energi ini, misi Fermi hanya dapat mendeteksi sinyal sinar gamma dari sinar kosmik.

Karen Yang, penulis utama studi dan asisten profesor di Universitas Nasional Tsing Hua di Taiwan, mulai mengerjakan versi awal kode yang digunakan untuk pemodelan dalam makalah ini sebagai peneliti pascadoktoral di Universitas MM bersama Roskowski. Untuk mencapai kesimpulan mereka, para peneliti melakukan simulasi numerik dari pelepasan energi yang memperhitungkan hidrodinamika, gravitasi dan sinar kosmik.

“Simulasi kami unik karena memperhitungkan interaksi antara sinar kosmik dan gas di dalam Bima Sakti. sinar kosmikdengan menyuntikkan jet lubang hitam, ia mengembang dan membentuk gelembung Fermi yang berpendar dalam sinar gamma,” kata Yang.

“Ledakan itu sendiri mendorong gas menjauh dari pusat galaksi dan membentuk gelombang kejut yang diamati sebagai gelembung eRosita. Pengamatan baru gelembung eRosita telah memungkinkan kita untuk lebih tepat membatasi durasi aktivitas lubang hitam, dan untuk lebih memahami masa lalu. sejarah galaksi kita.”

Model para peneliti mengesampingkan teori ledakan bintang nuklir karena durasi khas ledakan bintang nuklir, dan dengan demikian lamanya waktu ledakan bintang akan memompa energi yang membentuk gelembung, adalah sekitar 10 juta tahun, menurut rekan studi tersebut. Pengarang. Elaine Zwiebel, profesor astronomi dan fisika di University of Wisconsin.

“Di sisi lain, model lubang hitam aktif kami secara akurat memprediksi ukuran relatif gelembung sinar-X eRosita dan gelembung sinar gamma Fermi, asalkan waktu injeksi energi sekitar 1% dari itu, atau sepersepuluh juta tahun, “ucap Zwebel.

“Menyuntikkan energi lebih dari 10 juta tahun akan menghasilkan gelembung dengan penampilan yang sama sekali berbeda. Ini adalah kesempatan untuk membandingkan gelembung sinar-X dan sinar gamma yang memberikan bagian penting yang hilang sebelumnya.”

Para peneliti menggunakan data dari misi eRosita, Teleskop Luar Angkasa Fermi Gamma-Ray NASA, Observatorium Planck dan Wilkinson Microwave Anisotropy Probe.