Astronomowie zobrazowali czarną dziurę wraz z potężnym dżetem wyrzuconym z jej otoczenia

Po raz pierwszy w historii astronomowie jednocześnie zobrazowali cień supermasywnej czarnej dziury wraz z silnym dżetem wyrzuconym z jej otoczenia. Obserwacje te miały miejsce w 2018 roku podczas badań galaktyki Messier 87 (M87) i zostały wykonane za pomocą teleskopów Global Millimeter VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), National Radio Astronomy Observatory (NRAO), Green Bank Observatory (GBO), Green Bank Telescope (GBT) oraz Greenland Telescope (GLT). Opis i rezultaty obserwacji ukazały się na łamach pisma "Nature".

W centrum większości galaktyk znajdują się supermasywne czarne dziury. Chociaż obiekty te są najbardziej znane z tego, że pochłaniają materię w swoim bezpośrednim sąsiedztwie, to wiemy też, że z ich otoczenia wyrzucane są potężne dżety materii, które rozciągają się na ogromne odległości, często poza galaktyki, w których się znajdują. Naukowcy od dawna próbują zrozumieć mechanizmy stojące za emisją tych strumieni materii.

Pierwszy dżet został zaobserwowany w 1918 roku właśnie w galaktyce M87. Galaktyka M87, czyli Galaktyka Panna A, znajduje się około 53 miliony lat świetlnych od nas. To największy i najjaśniejszy obiekt w gwiazdozbiorze Panny. Supermasywna czarna dziura tam zlokalizowana była bohaterką pierwszego w historii obrazu czarnej dziury, który upubliczniono w 2019 roku (pracowało nad nim też dwoje Polaków). Zdjęcie jej gęstego, ciemnego jądra otoczonego świecącym pierścieniem trafiło na pierwsze strony gazet na całym świecie. Obraz ten uzyskano dzięki projektowi Event Horizon Telescope (EHT). To sieć radioteleskopów rozsianych po całym świecie, które pracują na falach milimetrowych i submilimetrowych. Razem tworzą teleskop o rozmiarach Ziemi.

Obserwacje w zakresie nieco dłuższych fal pozwoliły dostrzec więcej szczegółów w otoczeniu supermasywnej czarnej dziury w M87. - M87 była obserwowana przez wiele dziesięcioleci. Już sto lat temu wiedzieliśmy, że dżet tam jest, ale nie mogliśmy umieścić go w kontekście – powiedział Ru-Sen Lu i dodał, że analizowane przez nich obserwacje były prowadzone z niższą częstotliwością, więc można było dostrzec więcej szczegółów.

Zobacz także: Jak dużo wiesz o kosmosie?

Korzystanie z wielu różnych teleskopów i instrumentów dało zespołowi pełniejszy obraz struktury supermasywnej czarnej dziury i jej dżetu niż było to możliwe wcześniej za pomocą EHT. - Widzieliśmy już wcześniej pierścień, ale teraz widzimy dżet. To umieszcza pierścień w kontekście i jest on większy, niż sądziliśmy – zaznaczył Eduardo Ros z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka.

Oryginalne obrazowanie EHT ujawniło tylko część dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę. Zmieniając obserwowane długości fal z 1,3 milimetra na 3,5 milimetra, możemy zobaczyć więcej dysku akrecyjnego oraz dżet jednocześnie. To pokazało, że pierścień wokół czarnej dziury jest o 50 proc. większy, niż wcześniej sądziliśmy – powiedział Toney Minter z GBT.

Czarna dziura konsumuje materię ze swojego otoczenia. Ta opadając w kierunku czarnej dziury, tworzy wirujący wokół dysk akrecyjny. Materia w nim porusza się z ogromnymi prędkościami, co ją rozgrzewa, a to z kolei manifestuje się emisją światła. To właśnie ten dysk jest pierścieniem widocznym na historycznym zdjęciu czarnej dziury. Czarna dziura częściowo to światło pochłania, częściowo je zakrzywia, pozwalając zobaczyć obszary dysku znajdujące się za supermasywnym obiektem. Czarny obszar w centrum pierścienia jest określany przez badaczy cieniem czarnej dziury.

Nie tylko poszczególne obszary czarnej dziury są większe i bardziej szczegółowe niż wcześniej ujawnione obserwacje na krótszych falach. Na nowym obrazie możliwe jest potwierdzenie pochodzenia dżetu. Wygląda na to, że powstał on w wyniku oddziaływania energii wytworzonej przez pola magnetyczne otaczające wirujące jądro czarnej dziury. Swoją rolę w powstaniu zjawiska odegrały też wiatry generowane z dysku akrecyjnego otaczającego masywny obiekt.

- Te badania po raz pierwszy pokazały, gdzie powstaje dżet. Wcześniej istniały różne teorie na temat tego, skąd mogą pochodzić, ale ta obserwacja faktycznie pokazała, że energia z pól magnetycznych i wiatrów z dysku akrecyjnego działa razem – podkreślił Minter.

Źródło: National Radio Astronomy Observatory, fot. S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)