Czarna dziura wyrzuca potężny dżet w centrum galaktyki Messier 87

Spora część galaktyk posiada w swoich centrach supermasywne czarne dziury. Obiekty te znane są z pochłaniania materii ze swojego bezpośredniego otoczenia, ale mogą także wystrzeliwać potężne dżety materii (strumienie)i, rozciągające się nawet poza galaktyki, w których rezydują. Zrozumienie tego, w jaki sposób czarne dziury tworzą tego typu olbrzymie dżety, od lat zastanawia astronomów.

- Wiemy, że dżety są wyrzucane z obszaru otaczającego czarne dziury - powiedział Ru-Sen Lu z Shanghai Astronomical Observatory w Chinach. - Ale nadal nie rozumiemy w pełni, jak to się faktycznie dzieje. Aby zbadać to bezpośrednio, musimy obserwować źródło dżetu tak blisko czarnej dziury, jak to możliwe - dodał.

Opublikowane w środę zdjęcie po raz pierwszy precyzyjnie pokazuje tę kwestię: w jaki sposób podstawa dżetu łączy się z materią wirującą wokół supermasywnej czarnej dziury. Celem jest galaktyka Messier 87 (M87), zlokalizowana w odległości 55 milionów lat świetlnych, w naszym kosmicznym sąsiedztwie, która jest domem czarnej dziury 6,5 miliarda razy masywniejszej niż Słońce.

Dzięki wcześniejszym obserwacjom udało się zobrazować osobno obszar bliski czarnej dziurze oraz dżet. Tym razem po raz pierwszy obie struktury zostały uchwycone razem. - Nowe zdjęcie uzupełnia obraz, pokazując w tym samym czasie rejon wokół czarnej dziury i dżet - zauważył Jae-Young Kim from z Kyungpook National University w Korei Południowej i z Max Planck Institute for Radio Astronomy w Niemczech.

Obraz uzyskano przy pomocy teleskopów Global Millimetre VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), których Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) jest partnerem, oraz Greenland Telescope (GLT). Wszystkie tworzą sieć radioteleskopów wokół całego globu, pracujących razem jako wirtualny teleskop o rozmiarach Ziemi. Tak wielka sieć potrafi rozróżnić drobne szczegóły w obszarze wokół czarnej dziury w M87.

Nowy obraz pokazuje dżet zaczynający się blisko czarnej dziury, a także coś, co naukowcy nazywają cieniem czarnej dziury. Gdy materia krąży wokół czarnej dziury, rozgrzewa się i emituje światło. Czarna dziura zakrzywia i przechwytuje część tego światła, tworząc wokół siebie strukturę podobną do pierścienia, gdy patrzymy na nią z Ziemi. Ciemność w centrum pierścienia to cień czarnej dziury, który został po raz pierwszy zobrazowany przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) w 2017 roku. Oba obrazy, najnowszy i ten z EHT, łączą dane uzyskane wieloma radioteleskopami na całym świecie, ale zdjęcie zaprezentowane dzisiaj pokazuje fale radiowe emitowane na większych długościach fali niż w przypadku EHT (3,5 milimetra zamiast 1,3 mm). 

- Na tej długości fali możemy zobaczyć, jak z pierścienia emisji wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury rodzi się dżet - skomentował Thomas Krichbaum z Max Planck Institute for Radio Astronomy. 

Rozmiar pierścienia obserwowanego przez sieć GMVA jest o prawie 50 procent większy w porównaniu do obrazu z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. - Aby zrozumieć fizyczne źródło większego i grubszego pierścienia, musimy wykorzystać symulacje komputerowe, aby przetestować różne scenariusze - tłumaczył Keiichi Asada z Academia Sinica na Tajwanie. Wyniki sugerują, że nowy obraz ujawnia więcej materii, która spada w stronę czarnej dziury, niż mogło być zaobserwowane przez EHT.

Nowe obserwacje czarnej dziury w M87 zostały przeprowadzone w 2018 roku przy pomocy sieci GMVA, zawierającej 14 radioteleskopów w Europie i Ameryce Północnej. Dodatkowo do GMVA podłączono wtedy dwa inne obserwatoria: Greenland Telescope oraz ALMA, w którym ESO jest partnerem.

Sieć ALMA zawiera 66 anten na chilijskiej pustyni Atakama i odegrała kluczową rolę w opisywanych obserwacjach. Dane zbierane wszystkimi teleskopami na całym świecie są łączone przy pomocy techniki zwanej interferometrią, która synchronizuje sygnały odbierane przez poszczególne urządzenia. Ale żeby prawidłowo uzyskać rzeczywisty kształt obiektu astronomicznego, ważne jest, aby teleskopy były rozsiane po całej Ziemi. Teleskopy GMVA są położone głównie na linii wschód-zachód, więc dodanie ALMA z półkuli południowej, było kluczowe dla uchwycenia obrazu dżetu i cienia czarnej dziury w M87. - Dzięki umiejscowieniu ALMA i jej czułości, możemy ujawnić cień czarnej dziury i zobaczyć głębiej emisję z dżetu, obie rzeczy w tym samym czasie - zauważyła Lu.

Przyszłe obserwacje przy pomocy tej sieci teleskopów będą kontynuowane, aby ujawnić więcej, jak supermasywna czarna dziura wystrzeliwuje potężne dżety. - Planujemy obserwować rejon wokół czarnej dziury w centrum M87 na różnych długościach fal radiowych, aby dokładniej zbadać emisję z dżetu - mówił Eduardo Ros z Max Planck Institute for Radio Astronomy. Tego typu jednoczesne obserwacje pozwolą zespołowi na rozwikłanie skomplikowanych procesów, które zachodzą w pobliżu supermasywnej czarnej dziury. - Nadchodzące lata będą ciekawe, gdyż będziemy w stanie dowiedzieć się więcej o tym, co dzieje się blisko jednego z najbardziej zagadkowych rejonów we Wszechświecie - podsumował Ros.