Pierwsze w historii zdjęcie czarnej dziury wstrząsnęło światem w 2019 r., kiedy Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) opublikował zdjęcie supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87, znanej również jako Panna A lub NGC 4486, znajdującej się w gwiazdozbiorze Panny. Ta czarna dziura ponownie zaskakuje naukowców teraelektronowoltowym rozbłyskiem promieniowania gamma – emitującym fotony miliardy razy bardziej energetyczne niż światło widzialne. Tak intensywnego rozbłysku nie obserwowano od ponad dziesięciu lat, co zapewnia kluczowy wgląd w to, w jaki sposób cząstki, takie jak elektrony i pozytony, są przyspieszane w ekstremalnych środowiskach w pobliżu czarnych dziur.
Dżet wychodzący z centrum M87 jest siedem rzędów wielkości – dziesiątki milionów razy – większy od horyzontu zdarzeń, czyli powierzchni samej czarnej dziury. Jasny wybuch wysokoenergetycznej emisji był znacznie wyższy od energii zwykle wykrywanych przez radioteleskopy z obszaru czarnej dziury. Rozbłysk trwał około trzech dni i prawdopodobnie wyłonił się z obszaru o rozmiarach mniejszych niż trzy dni świetlne, czyli nieco poniżej 25 miliardów mil.
Promień gamma to wiązka energii elektromagnetycznej, znana również jako foton. Promienie gamma mają najwięcej energii ze wszystkich długości fal w widmie elektromagnetycznym i są wytwarzane przez najgorętsze i najbardziej energetyczne środowiska we wszechświecie, takie jak obszary wokół czarnych dziur. Fotony w rozbłysku gamma M87 mają energię na poziomie kilku teraelektronowoltów. Teraelektronowolt służy do pomiaru energii cząstek subatomowych i jest równoważny energii poruszającego się komara. To ogromna ilość energii dla cząstek, które są wiele bilionów razy mniejsze od komara. Fotony o energii kilku teraelektronowoltów są znacznie bardziej energetyczne niż fotony tworzące światło widzialne.
Gdy materia opada w kierunku czarnej dziury, tworzy dysk akrecyjny, w którym cząstki są przyspieszane w wyniku utraty potencjalnej energii grawitacyjnej. Niektóre są nawet przekierowywane z dala od biegunów czarnej dziury w postaci potężnego wypływu, zwanego „dżetami”, napędzanego przez intensywne pola magnetyczne. Proces ten jest nieregularny i często powoduje gwałtowny wybuch energii zwany „rozbłyskiem”. Jednak promienie gamma nie mogą przeniknąć przez atmosferę ziemską. Prawie 70 lat temu fizycy odkryli, że promienie gamma można wykryć z ziemi, obserwując promieniowanie wtórne powstające, gdy uderzają w atmosferę.
„Nadal nie do końca rozumiemy, w jaki sposób cząstki przyspieszają w pobliżu czarnej dziury lub w strumieniu” – powiedział Weidong Jin, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles i współautor artykułu opisującego odkrycia opublikowanego przez międzynarodowy zespół autorów w czasopiśmie Astronomy & Astrofizyka. „Te cząstki są tak energetyczne, że poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, a my chcemy zrozumieć, gdzie i w jaki sposób zyskują taką energię. Nasze badanie przedstawia najbardziej wszechstronne dane spektralne, jakie kiedykolwiek zebrano dla tej galaktyki, wraz z modelowaniem mającym na celu rzucenie światła na te procesy.”
Jin brał udział w analizie części zbioru danych o najwyższej energii, zwanej promieniami gamma o bardzo wysokiej energii, która została zebrana przez VERITAS – naziemny instrument promieniowania gamma działający w Obserwatorium Freda Lawrence'a Whipple'a w południowej Arizonie. Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles odegrał główną rolę w budowie VERITAS – skrótu od Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System – uczestnicząc w rozwoju elektroniki służącej do odczytu czujników teleskopu oraz w rozwoju oprogramowania komputerowego do analizy danych teleskopu i symulować działanie teleskopu. Analiza ta pomogła wykryć rozbłysk, na co wskazują duże zmiany jasności, które stanowią znaczące odchylenie od zmienności linii bazowej.
Ponad dwadzieścia prestiżowych naziemnych i kosmicznych obiektów obserwacyjnych, w tym należący do NASA teleskop Fermi-LAT, Kosmiczny Teleskop Hubble'a, teleskopy NuSTAR, Chandra i Swift, a także trzy największe na świecie układy obrazujących atmosferycznych teleskopów Czerenkowa (VERITAS, HESS i MAGIC) dołączyły do drugiej kampanii EHT i kampanii dotyczącej wielu długości fal w 2018 r. Obserwatoria te są wrażliwe na fotony promieniowania rentgenowskiego oraz odpowiednio wysokoenergetyczne i bardzo wysokoenergetyczne promieniowanie gamma.
Jeden z kluczowych zbiorów danych wykorzystanych w tym badaniu nosi nazwę widmowego rozkładu energii.
„Widmo opisuje, w jaki sposób energia ze źródeł astronomicznych, takich jak M87, rozkłada się na różne długości fal światła” – powiedział Jin. „To jak rozbicie światła na tęczę i zmierzenie ilości energii zawartej w każdym kolorze. Ta analiza pomaga nam odkryć różne procesy, które napędzają przyspieszenie cząstek o wysokiej energii w dżecie supermasywnej czarnej dziury”.
Dalsza analiza przeprowadzona przez autorów artykułu wykazała znaczne różnice w położeniu i kącie pierścienia, zwanym także horyzontem zdarzeń, oraz położeniu dżetu. Sugeruje to, że fizyczny związek między cząstkami a horyzontem zdarzeń, w różnych skalach wielkości, wpływa na położenie dżetu.
„Jedną z najbardziej uderzających cech czarnej dziury M87 jest dwubiegunowy dżet rozciągający się na tysiące lat świetlnych od jądra” – powiedział Jin. „Badanie to dało wyjątkową okazję do zbadania pochodzenia emisji promieniowania gamma o bardzo wysokiej energii podczas rozbłysku oraz zidentyfikowania miejsca, w którym cząstki powodujące rozbłysk są przyspieszane. Nasze odkrycia mogą pomóc w rozwiązaniu długotrwałego problemu debata na temat pochodzenia promieni kosmicznych wykrywanych na Ziemi.”