Aby lepiej zrozumieć czarną dziurę w jądrze galaktyki M87, zespół EHT Collaboration przeprowadził kampanię obserwacyjną na wielu długościach fal. Obserwacje w całym spektrum elektromagnetycznym w radiu, świetle widzialnym, ultrafiolecie, promieniowaniu rentgenowskim i gamma ujawniły dalekosiężny wpływ supermasywnej czarnej dziury na jej otoczenie. Credits: EHT Collaboration; NASA/Swift; NASA/Fermi; Caltech-NuSTAR; CXC; CfA-VERITAS; MAGIC; HESS
W kwietniu 2019 r. naukowcy opublikowali pierwszy obraz czarnej dziury w galaktyce M87 za pomocą Event Horizon Telescope (EHT). Jednak to niezwykłe osiągnięcie było dopiero początkiem naukowej historii, która ma zostać opowiedziana.
Dane z 19 obserwatoriów opublikowane wczoraj zapowiadają niezrównany wgląd w tę czarną dziurę i system, który zasila, a także poprawione testy Ogólnej Teorii Względności Einsteina.
"Wiedzieliśmy, że pierwszy bezpośredni obraz czarnej dziury będzie przełomowy," mówi Kazuhiro Hada z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego w Japonii, współautor nowych badań opublikowanych w The Astrophysical Journal Letters, które opisują duży zbiór danych.
"Aby w pełni wykorzystać ten niezwykły obraz, musimy wiedzieć wszystko, co możemy o zachowaniu czarnej dziury w tamtym czasie poprzez obserwacje w całym spektrum elektromagnetycznym".Ogromne przyciąganie grawitacyjne supermasywnej czarnej dziury może zasilać dżety cząstek, które podróżują z prędkością niemalże światła na ogromne odległości. Dżety M87 produkują światło obejmujące całe spektrum elektromagnetyczne, od fal radiowych przez światło widzialne do promieniowania gamma. Wzór ten jest inny dla każdej czarnej dziury. Identyfikacja tego wzoru daje kluczowy wgląd we właściwości czarnej dziury - na przykład jej spin i ilość produkowanej energii - ale jest wyzwaniem, ponieważ wzór ten zmienia się w czasie.
Naukowcy skompensowali tę zmienność, koordynując obserwacje z wieloma najpotężniejszymi teleskopami na ziemi i w przestrzeni kosmicznej, zbierając światło z całego spektrum. Obserwacje z 2017 roku były największą jednoczesną kampanią obserwacyjną, jaką kiedykolwiek przeprowadzono na supermasywnej czarnej dziurze z dżetami.
W tej przełomowej kampanii uczestniczyły trzy obserwatoria zarządzane przez Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian: Submillimeter Array (SMA) w Hilo na Hawajach; kosmiczne Chandra X-ray Observatory; oraz Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) w południowej Arizonie.
Rozpoczynając od kultowego już zdjęcia M87 z EHT, nowy film zabiera widzów w podróż przez dane z każdego z teleskopów. Każda kolejna klatka pokazuje dane w skali dziesięciokrotnej, zarówno długości fal świetlnych, jak i rozmiarów fizycznych.
Sekwencja rozpoczyna się od obrazu czarnej dziury z kwietnia 2019 roku. Następnie przechodzi przez obrazy z innych tablic radioteleskopów z całego globu (SMA), przesuwając się na zewnątrz pola widzenia podczas każdego kroku. Następnie widok zmienia się na teleskopy, które wykrywają światło widzialne, ultrafioletowe i promieniowanie rentgenowskie (Chandra). Ekran rozdziela się, aby pokazać, jak te obrazy, które pokrywają ten sam obszar nieba w tym samym czasie, porównują się ze sobą. Sekwencja kończy się pokazaniem, co teleskopy promieniowania gamma na ziemi (VERITAS) i Fermi w kosmosie wykrywają z czarnej dziury i jej strumienia.
Każdy z teleskopów dostarcza innych informacji na temat zachowania i oddziaływania czarnej dziury o masie 6,5 miliarda mas Słońca, znajdującej się w centrum M87, która znajduje się około 55 milionów lat świetlnych od Ziemi.
"Jest wiele grup, które chcą sprawdzić, czy ich modele pasują do tych bogatych obserwacji i jesteśmy podekscytowani, że cała społeczność używa tego publicznego zestawu danych, aby pomóc nam lepiej zrozumieć głębokie powiązania między czarnymi dziurami i ich dżetami", mówi współautor Daryl Haggard z McGill University w Montrealu, Kanada.
Dane zostały zebrane przez zespół 760 naukowców i inżynierów z prawie 200 instytucji, z 32 krajów lub regionów, przy użyciu obserwatoriów finansowanych przez agencje i instytucje na całym świecie. Obserwacje były skoncentrowane od końca marca do połowy kwietnia 2017 roku.
"Ten niesamowity zestaw obserwacji obejmuje wiele z najlepszych teleskopów na świecie" - mówi współautor Juan Carlos Algaba z University of Malaya w Kuala Lumpur w Malezji.
"To wspaniały przykład współpracy astronomów z całego świata".
Pierwsze wyniki pokazują, że intensywność światła wytwarzanego przez materię wokół supermasywnej czarnej dziury M87 była najniższa, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Stworzyło to idealne warunki do oglądania "cienia" czarnej dziury, jak również umożliwiło wyodrębnienie światła z regionów położonych blisko horyzontu zdarzeń od tych oddalonych o dziesiątki tysięcy lat świetlnych od czarnej dziury.
Połączenie danych z tych teleskopów oraz obecnych (i przyszłych) obserwacji EHT pozwoli naukowcom na prowadzenie ważnych badań w niektórych z najbardziej znaczących i wymagających dziedzin astrofizyki. Na przykład, naukowcy planują wykorzystać te dane do ulepszenia testów Ogólnej Teorii Względności Einsteina. Obecnie, niepewność co do materii wirującej wokół czarnej dziury i wyrzucanej w dżetach, w szczególności właściwości, które określają emitowane światło, stanowi główną przeszkodę w testach Ogólnej Teorii Względności.
Pokrewna kwestia, którą zajmuje się dzisiejsze badanie, dotyczy pochodzenia energetycznych cząstek zwanych "promieniami kosmicznymi", które nieustannie bombardują Ziemię z kosmosu. Ich energia może być milion razy większa niż ta, którą można wytworzyć w najpotężniejszym akceleratorze na Ziemi, Wielkim Zderzaczu Hadronów. Ogromne dżety wystrzeliwane z czarnych dziur, takie jak te pokazane na zdjęciach, są uważane za najbardziej prawdopodobne źródło promieni kosmicznych o najwyższej energii, ale istnieje wiele pytań dotyczących szczegółów, w tym dokładnych miejsc, w których cząstki są przyspieszane. Ponieważ promienie kosmiczne wytwarzają światło poprzez swoje zderzenia, wysokoenergetyczne promienie gamma mogą wskazać to miejsce, a nowe badania wskazują, że te promienie gamma prawdopodobnie nie są wytwarzane w pobliżu horyzontu zdarzeń - przynajmniej nie w 2017 roku. Kluczem do rozstrzygnięcia tej debaty będzie porównanie z obserwacjami z 2018 roku oraz nowymi danymi zebranymi w tym tygodniu.
"Zrozumienie przyspieszenia cząstek jest naprawdę kluczowe dla naszego zrozumienia zarówno obrazu EHT, jak i dżetów, we wszystkich ich 'kolorach'" - mówi współautorka Sera Markoff z Uniwersytetu w Amsterdamie. "Dżety te są w stanie transportować energię uwalnianą przez czarną dziurę do skali większej niż galaktyka-gospodarz, jak ogromny przewód zasilający. Nasze wyniki pomogą nam obliczyć ilość przenoszonej energii oraz wpływ, jaki dżety czarnej dziury wywierają na jej otoczenie."
Wydanie tej nowej skarbnicy danych zbiega się z biegiem obserwacyjnym EHT w 2021 roku, który wykorzystuje ogólnoświatowy układ anten radiowych, pierwszy od 2018 roku. Zeszłoroczna kampania została odwołana z powodu pandemii COVID-19, a w poprzednim roku została zawieszona z powodu nieprzewidzianych problemów technicznych. Właśnie w tym tygodniu, przez sześć nocy, astronomowie EHT namierzają kilka supermasywnych czarnych dziur: ponownie tę w M87, tę w naszej Galaktyce zwaną Sagittarius A* oraz kilka bardziej odległych czarnych dziur. W porównaniu z rokiem 2017 macierz została ulepszona poprzez dodanie trzech kolejnych radioteleskopów: Greenland Telescope, Kitt Peak 12-meter Telescope w Arizonie oraz NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) we Francji.
"Wraz z opublikowaniem tych danych, w połączeniu ze wznowieniem obserwacji i ulepszonym EHT, wiemy, że na horyzoncie pojawi się wiele nowych, ekscytujących wyników" - mówi współautor Mislav Balokovic z Uniwersytetu Yale.
"Jestem naprawdę podekscytowany, że te wyniki ujrzą światło dzienne, wraz z moimi kolegami pracującymi przy SMA, z których niektórzy byli bezpośrednio zaangażowani w zbieranie danych do tego spektakularnego widoku M87" - mówi współautor Garrett Keating, naukowiec projektu Submillimeter Array.
"Biorąc pod uwagę wyniki obserwacji Sagittariusa A* - masywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej - które pojawią się wkrótce, oraz wznowienie obserwacji w tym roku, oczekujemy na jeszcze więcej niesamowitych rezultatów z EHT w nadchodzących latach".
Badanie: The Astrophysical Journal Letters
Źródło: phys.org
