Dzisiaj, na równoczesnych konferencjach prasowych na całym świecie, w tym w siedzibie Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w Niemczech, astronomowie zaprezentowali pierwszy obraz supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej własnej galaktyki Drogi Mlecznej. Ten wynik dostarcza przytłaczających dowodów na to, że obiekt jest rzeczywiście czarną dziurą i dostarcza cennych wskazówek na temat działania takich olbrzymów, które, jak się uważa, znajdują się w centrum większości galaktyk. Obraz został wyprodukowany przez globalny zespół badawczy o nazwie Event Horizon Telescope (EHT) Collaboration, wykorzystując obserwacje z ogólnoświatowej sieci radioteleskopów.
Obraz jest długo oczekiwanym spojrzeniem na masywny obiekt, który znajduje się w samym centrum naszej galaktyki. Naukowcy wcześniej widzieli gwiazdy krążące wokół czegoś niewidzialnego, zwartego i bardzo masywnego w centrum Drogi Mlecznej. To mocno sugerowało, że ten obiekt – znany jako Sagittarius A* (Sgr A*, wymawiane jako „sadge-ay-star”) – jest czarną dziurą, a dzisiejsze zdjęcie dostarcza na to pierwszego bezpośredniego, wizualnego dowodu.
Chociaż nie możemy zobaczyć samej czarnej dziury, ponieważ jest ona całkowicie ciemna, świecący wokół niej gaz ujawnia charakterystyczną sygnaturę: ciemny obszar centralny (zwany cieniem) otoczony jasną strukturą przypominającą pierścień. Nowy widok uchwycił światło zakrzywione przez potężną grawitację czarnej dziury, która jest cztery miliony razy masywniejsza niż nasze Słońce.
„Byliśmy zdumieni tym, jak dobrze rozmiar pierścienia zgadzał się z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina” – powiedział Geoffrey Bower, naukowiec projektu EHT z Instytutu Astronomii i Astrofizyki Academia Sinica w Tajpej. „Te bezprecedensowe obserwacje znacznie poprawiły nasze zrozumienie tego, co dzieje się w samym centrum naszej galaktyki, i oferują nowy wgląd w to, jak te gigantyczne czarne dziury oddziałują z otoczeniem”. Wyniki zespołu EHT zostały dziś opublikowane w specjalnym wydaniu The Astrophysical Journal Letters.
Ponieważ czarna dziura znajduje się około 27 000 lat świetlnych od Ziemi, wydaje nam się, że ma na niebie mniej więcej tej samej wielkości co pączek na Księżycu. Aby to zobrazować, zespół stworzył potężny EHT, który połączył osiem istniejących obserwatoriów radiowych na całej planecie, tworząc jeden wirtualny teleskop „rozmiaru Ziemi”. [1]. EHT obserwował Sgr A* przez wiele nocy w 2017 roku, zbierając dane przez wiele godzin z rzędu, podobnie jak przy użyciu długiego czasu ekspozycji w aparacie.
Oprócz innych obiektów, sieć obserwatoriów radiowych EHT obejmuje Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) oraz Atacama Pathfinder EXperiment (APEX) na pustyni Atacama w Chile, których współwłaścicielem i współpracownikiem jest ESO w imieniu jej państw członkowskich w Europie. Europa wnosi wkład w obserwacje EHT również za pomocą innych obserwatoriów radiowych – 30-metrowego teleskopu IRAM w Hiszpanii i od 2018 r. NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) we Francji – a także superkomputera do łączenia danych EHT hostowanych przez Instytut Radioastronomii im. Maxa Plancka w Niemczech. Ponadto Europa wniosła wkład w finansowanie projektu konsorcjum EHT poprzez dotacje Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych i Towarzystwa Maxa Plancka w Niemczech.
„To bardzo ekscytujące dla ESO, że przez tyle lat odgrywało tak ważną rolę w odkrywaniu tajemnic czarnych dziur, aw szczególności Sgr A*”, skomentował dyrektor generalny ESO Xavier Barcons. „ESO nie tylko przyczyniło się do obserwacji EHT za pośrednictwem obiektów ALMA i APEX, ale także umożliwiło, wraz z innymi obserwatoriami w Chile, niektóre z poprzednich przełomowych obserwacji centrum Galaktyki”. [2]
Osiągnięcie EHT następuje po wydaniu w 2019 roku pierwszego obrazu czarnej dziury, zwanego M87*, w centrum bardziej odległej galaktyki Messier 87.
Dwie czarne dziury wyglądają niezwykle podobnie, mimo że czarna dziura naszej galaktyki jest ponad tysiąc razy mniejsza i mniej masywna niż M87* [3]. „Mamy dwa zupełnie różne typy galaktyk i dwie bardzo różne masy czarnych dziur, ale blisko krawędzi tych czarnych dziur wyglądają one niesamowicie podobnie” – mówi Sera Markoff, współprzewodnicząca Rady Naukowej EHT i profesor astrofizyki teoretycznej. na Uniwersytecie w Amsterdamie w Holandii. „To mówi nam, że ogólna teoria względności rządzi tymi obiektami z bliska, a wszelkie różnice, które widzimy z dalszej odległości, muszą wynikać z różnic w materiale otaczającym czarne dziury”.
To osiągnięcie było znacznie trudniejsze niż w przypadku M87*, mimo że Sgr A* jest nam znacznie bliższy. Naukowiec EHT, Chi-kwan (‘CK’) Chan, z Steward Observatory and Department of Astronomy oraz Data Science Institute na University of Arizona, USA, wyjaśnia: „Gaz w pobliżu czarnych dziur porusza się z tą samą prędkością – – prawie tak szybki jak światło – wokół zarówno Sgr A*, jak i M87*. Ale tam, gdzie gazowi zajmuje kilka dni, a nawet tygodni, aby okrążyć większą M87*, w znacznie mniejszej Sgr A* okrąża go w zaledwie kilka minut. Oznacza to jasność a wzór gazu wokół Sgr A * zmieniał się gwałtownie, gdy obserwowała go współpraca EHT – trochę jak próba zrobienia wyraźnego zdjęcia szczeniaka szybko goniącego za ogonem”.
Naukowcy musieli opracować zaawansowane, nowe narzędzia, które uwzględniły ruch gazu wokół Sgr A*. Podczas gdy M87* była łatwiejszym i stabilniejszym celem, z prawie wszystkimi obrazami wyglądającymi tak samo, tak nie było w przypadku Sgr A*. Obraz czarnej dziury Sgr A* jest średnią z różnych obrazów, które zespół wydobył, wreszcie ujawniając po raz pierwszy olbrzyma czającego się w centrum naszej galaktyki.
Wysiłek ten był możliwy dzięki pomysłowości ponad 300 badaczy z 80 instytutów na całym świecie, które razem tworzą współpracę EHT. Oprócz opracowania złożonych narzędzi, aby przezwyciężyć wyzwania związane z obrazowaniem Sgr A*, zespół pracował rygorystycznie przez pięć lat, wykorzystując superkomputery do łączenia i analizowania swoich danych, jednocześnie kompilując bezprecedensową bibliotekę symulowanych czarnych dziur w celu porównania z obserwacjami.
Naukowcy są szczególnie podekscytowani otrzymaniem w końcu obrazów dwóch czarnych dziur o bardzo różnych rozmiarach, co daje możliwość zrozumienia ich porównania i kontrastu. Zaczęli również wykorzystywać nowe dane do testowania teorii i modeli zachowania gazu wokół supermasywnych czarnych dziur. Proces ten nie został jeszcze w pełni poznany, ale uważa się, że odgrywa on kluczową rolę w kształtowaniu formowania się i ewolucji galaktyk.
„Teraz możemy zbadać różnice między tymi dwoma supermasywnymi czarnymi dziurami, aby uzyskać cenne nowe wskazówki dotyczące tego, jak działa ten ważny proces” – powiedział naukowiec EHT Keiichi Asada z Instytutu Astronomii i Astrofizyki Academia Sinica w Tajpej. „Mamy obrazy dwóch czarnych dziur – jednej na dużym końcu, a drugiej na małym końcu supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie – więc możemy posunąć się znacznie dalej w testowaniu zachowania grawitacji w tych ekstremalnych środowiskach niż kiedykolwiek wcześniej. “
Postęp w EHT trwa: duża kampania obserwacyjna w marcu 2022 r. obejmowała więcej teleskopów niż kiedykolwiek wcześniej. Trwająca ekspansja sieci EHT i znaczące ulepszenia technologiczne pozwolą naukowcom na udostępnianie w niedalekiej przyszłości jeszcze bardziej imponujących zdjęć, a także filmów o czarnych dziurach.
Uwagi
[1] Poszczególne teleskopy zaangażowane w EHT w kwietniu 2017 r., kiedy prowadzono obserwacje, to: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), 30-metrowy Teleskop IRAM, Teleskop Jamesa Clerka Maxwella (JCMT), Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), Submillimeter Array (SMA), UArizona Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT). Od tego czasu EHT dodała do swojej sieci Teleskop Grenlandii (GLT), North Extended Millimeter Array (NOEMA) oraz 12-metrowy Teleskop UArizona na Kitt Peak.
ALMA jest partnerstwem Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO; Europa, reprezentującego państwa członkowskie), Narodowej Fundacji Nauki USA (NSF) oraz Narodowego Instytutu Nauk Przyrodniczych (NINS) Japonii, wraz z Narodową Radą ds. Badań Naukowych (Kanada). ), Ministerstwo Nauki i Technologii (MOST; Tajwan), Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA; Tajwan) oraz Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI; Republika Korei), we współpracy z Republiką Chile. Wspólne Obserwatorium ALMA jest obsługiwane przez ESO, Associated Universities, Inc./National Radio Astronomy Observatory (AUI/NRAO) oraz National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). APEX, współpraca między Instytutem Maxa Plancka Radioastronomii (Niemcy), Onsala Space Observatory (Szwecja) i ESO, jest obsługiwana przez ESO. 30-metrowy Teleskop jest obsługiwany przez IRAM (organizacje partnerskie IRAM to MPG [Germany]CNRS [France] i IGN [Spain]). JCMT jest obsługiwany przez East Asian Observatory w imieniu The National Astronomical Observatory of Japan; AZJA; KASI; Narodowy Instytut Badań Astronomicznych Tajlandii; Centre for Astronomical Mega-Science oraz organizacje w Wielkiej Brytanii i Kanadzie. LMT jest obsługiwany przez INAOE i UMass, SMA jest obsługiwane przez Centrum Astrofizyki | Harvard & Smithsonian oraz ASIAA i UArizona SMT są obsługiwane przez University of Arizona. SPT jest obsługiwany przez University of Chicago ze specjalistycznym oprzyrządowaniem EHT dostarczonym przez University of Arizona.
Teleskop Grenlandzki (GLT) jest obsługiwany przez ASIAA i Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO). GLT jest częścią projektu ALMA-Taiwan i jest częściowo wspierana przez Academia Sinica (AS) i MOST. NOEMA jest obsługiwana przez IRAM, a 12-metrowy teleskop UArizona w Kitt Peak jest obsługiwany przez University of Arizona.
[2] Silną podstawę do interpretacji tego nowego obrazu dostarczyły wcześniejsze badania przeprowadzone na Sgr A*. Astronomowie znają jasne, gęste źródło radiowe w centrum Drogi Mlecznej w kierunku konstelacji Strzelca od lat 70. XX wieku. Mierząc orbity kilku gwiazd bardzo blisko naszego centrum galaktyki w okresie 30 lat, zespoły kierowane przez Reinharda Genzela (dyrektora w Instytucie Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka w Garching koło Monachium, Niemcy) i Andreę M. Ghez (profesor) na Wydziale Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles, USA) byli w stanie stwierdzić, że najbardziej prawdopodobnym wytłumaczeniem obiektu o tej masie i gęstości jest supermasywna czarna dziura. Do przeprowadzenia tych badań wykorzystano obiekty ESO (w tym Very Large Telescope i Very Large Telescope Interferometer) oraz Obserwatorium Kecka, które w 2020 r. otrzymało Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
[3] Czarne dziury to jedyne znane nam obiekty, o których masa zmienia się wraz z rozmiarem. Czarna dziura tysiąc razy mniejsza od innej jest również tysiąc razy mniej masywna.
Suplement w Astrophysical Journal Letters, „Skup się na pierwszych wynikach Sgr A* z teleskopu Event Horizon” https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results