Po raz pierwszy astronomowie zaobserwowali na tym samym zdjęciu cień czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87 (M87) i wyrzucony z niej potężny dżet. Obserwacje prowadzono w 2018 roku za pomocą teleskopów Global Millimeter VLBI Array (GMVA), Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), którego ESO jest partnerem, oraz Greenland Telescope (GLT). Dzięki temu nowemu obrazowi astronomowie mogą lepiej zrozumieć, w jaki sposób czarne dziury mogą wystrzelić tak energetyczne dżety.
W centrum większości galaktyk znajduje się supermasywna czarna dziura. Chociaż czarne dziury są znane z tego, że pochłaniają materię w swoim bezpośrednim sąsiedztwie, mogą również emitować potężne dżety materii, które rozciągają się poza galaktyki, w których żyją. Zrozumienie, w jaki sposób czarne dziury tworzą tak ogromne dżety, było od dawna problemem astronomii. „Wiemy, że dżety są wyrzucane z obszaru otaczającego czarne dziury”, mówi Ru-Sen Lu z Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego w Chinach, „ale nadal nie do końca rozumiemy, jak to się dzieje. Aby zbadać to bezpośrednio, musimy obserwować źródło dżetu jak najbliżej czarnej dziury”.
Opublikowane dziś nowe zdjęcie po raz pierwszy dokładnie to pokazuje: jak podstawa dżetu łączy się z materią wirującą wokół supermasywnej czarnej dziury. Celem jest galaktyka M87, położona 55 milionów lat świetlnych stąd w naszym kosmicznym sąsiedztwie i zawierająca czarną dziurę 6,5 miliarda razy masywniejszą od Słońca. W poprzednich obserwacjach udało się oddzielnie sfotografować obszar w pobliżu czarnej dziury i dżetu, ale po raz pierwszy obie cechy zostały zaobserwowane razem. „Ten nowy obraz uzupełnia obraz, ukazując obszar wokół czarnej dziury i dżetu w tym samym czasie” dodaje Jae-Young Kim z Kyungpook National University w Korei Południowej i Max Planck Institute for Radio Astronomy w Niemczech.
Obraz uzyskano za pomocą GMVA, ALMA i GLT, tworząc sieć radioteleskopów na całym świecie, pracujących razem jako wirtualny teleskop wielkości Ziemi. Tak duża sieć może dostrzec bardzo małe szczegóły w obszarze wokół czarnej dziury M87.
Nowe zdjęcie pokazuje dżet pojawiający się w pobliżu czarnej dziury, a także to, co naukowcy nazywają cieniem czarnej dziury. Gdy materia krąży wokół czarnej dziury, nagrzewa się i emituje światło. Czarna dziura wygina się i wychwytuje część tego światła, tworząc wokół niej podobną do pierścienia strukturę widzianą z Ziemi. Ciemność w centrum pierścienia to cień czarnej dziury, który został po raz pierwszy sfotografowany przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) w 2017 roku. opublikowany dzisiaj pokazuje światło radiowe emitowane na większej długości fali niż EHT: 3,5 mm zamiast 1,3 mm. „Na tej długości fali możemy zobaczyć, jak dżet wyłania się z pierścienia emisyjnego wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury” – mówi Thomas Krichbaum z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka.
Rozmiar pierścienia obserwowany przez sieć GMVA jest około 50% większy w porównaniu do obrazu z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. „Aby zrozumieć fizyczne pochodzenie większego i grubszego pierścienia, musieliśmy użyć symulacji komputerowych do przetestowania różnych scenariuszy” – wyjaśnia Keiichi Asada z Academia Sinica na Tajwanie. Wyniki sugerują, że nowy obraz ujawnia więcej materii opadającej w kierunku czarnej dziury niż to, co można było zaobserwować za pomocą EHT.
Te nowe obserwacje czarnej dziury M87 zostały przeprowadzone w 2018 roku za pomocą GMVA, która składa się z 14 radioteleskopów w Europie i Ameryce Północnej [1]. Ponadto z GMVA połączono dwa inne obiekty: Teleskop Grenlandzki i ALMA, których ESO jest partnerem. ALMA składa się z 66 anten na chilijskiej pustyni Atakama i odegrała kluczową rolę w tych obserwacjach. Dane zebrane przez wszystkie te teleskopy na całym świecie są łączone przy użyciu techniki zwanej interferometrią, która synchronizuje sygnały odbierane przez poszczególne obiekty. Ale aby właściwie uchwycić rzeczywisty kształt obiektu astronomicznego, ważne jest, aby teleskopy były rozmieszczone na całej Ziemi. Teleskopy GMVA są w większości ustawione ze wschodu na zachód, więc dodanie ALMA na półkuli południowej okazało się niezbędne do uchwycenia tego zdjęcia dżetu i cienia czarnej dziury M87. „Dzięki lokalizacji i czułości ALMA mogliśmy jednocześnie odsłonić cień czarnej dziury i zajrzeć głębiej w emisję dżetu” – wyjaśnia Lu.
Przyszłe obserwacje za pomocą tej sieci teleskopów będą nadal odkrywać, w jaki sposób supermasywne czarne dziury mogą wystrzeliwać potężne dżety. „Planujemy obserwować region wokół czarnej dziury w centrum M87 na różnych długościach fal radiowych, aby dalej badać emisję dżetu” – mówi Eduardo Ros z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka. Takie jednoczesne obserwacje pozwoliłyby zespołowi rozwikłać skomplikowane procesy zachodzące w pobliżu supermasywnej czarnej dziury. „Nadchodzące lata będą ekscytujące, ponieważ będziemy mogli dowiedzieć się więcej o tym, co dzieje się w pobliżu jednego z najbardziej tajemniczych regionów we Wszechświecie” – podsumowuje Ros.