Widziana z Ziemi, gigantyczna galaktyka eliptyczna M87 jest po prostu dwuwymiarową plamą, która jednak wydaje się być idealnie symetryczna, przez co jest ulubionym celem astronomów-amatorów.
Jednak nowa, bardzo szczegółowa analiza ruchu gwiazd wokół centralnej supermasywnej czarnej dziury – pierwszej czarnej dziury sfotografowanej przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) w 2019 r. – ujawnia, że nie jest ona tak doskonała, na jaką wygląda.
W rzeczywistości M87 jest wysoce asymetryczna, jak rudy ziemniak. Najkrótsza oś galaktyki ma około trzech czwartych (72,2%) długości jej długiej osi, podczas gdy oś pośrednia ma około siedmiu ósmych (84,5%) długości osi długiej.
Wiedząc o tym, astronomowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley byli w stanie określić masę supermasywnej czarnej dziury w jądrze galaktyki z dużą precyzją, szacując ją na 5,37 miliarda mas Słońca. Dla porównania, nasza Droga Mleczna ma w swoim centrum masywną czarną dziurę o masie zaledwie 4 milionów mas Słońca.
Byli również w stanie zmierzyć rotację galaktyki, która jest stosunkowo spokojna 25 kilometrów na sekundę. Co ciekawe, nie obraca się ona wokół żadnej z głównych osi galaktyki, lecz wokół osi oddalonej o 40 stopni od długiej osi jej dwuwymiarowego obrazu obserwowanego przez Kosmiczny Teleskop Hubble’a.
Stereofoniczna rekonstrukcja galaktyki M87 i dokładniejsze obliczenie masy centralnej czarnej dziury może pomóc astrofizykom dowiedzieć się o charakterystyce czarnej dziury, której nie mogli wcześniej określić dla żadnej czarnej dziury: o jej wirowaniu.
„Teraz, gdy znamy kierunek rotacji netto gwiazd w M87 i mamy zaktualizowaną masę czarnej dziury, możemy połączyć te informacje z niesamowitymi danymi zespołu EHT, aby ograniczyć rotację” – powiedział Chung-Pei Ma, profesor astronomii i fizyki z UC Berkeley, który kierował badaniami. „Może to wskazywać na określony kierunek i zakres wirowania czarnej dziury, co byłoby niezwykłe. Pracujemy nad tym”.
Dalsze analizy mające na celu określenie prawdziwego kształtu gigantycznych galaktyk eliptycznych – galaktyk z największymi czarnymi dziurami w swoich jądrach – pomogą astronomom lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają duże galaktyki i duże czarne dziury, a także mogą pomóc astronomom lepiej interpretować sygnały fal grawitacyjnych. Ma prowadzi długoterminowe badanie supermasywnych czarnych dziur, które nazywa się MASSIVE.
Wyniki zostały opublikowane online 15 marca w The Astrophysical Journal Letters (ApJ Letters).
Określanie kształtu 3D galaktyki
Podczas gdy galaktyki spiralne są zwykle małe, obracają się szybko i mają dobrze rozpoznawalny kształt naleśnika, gigantyczne galaktyki eliptyczne obracają się powoli i mają plamisty wygląd, a ich trójwymiarowy kształt jest trudny do rozpoznania. Podobnie jak M87, największa galaktyka w masywnej gromadzie galaktyk w Pannie, gigantyczne galaktyki eliptyczne wyrosły z połączenia wielu innych galaktyk. To prawdopodobnie powód, dla którego centralna czarna dziura M87 jest tak duża — zasymilowała centralne czarne dziury wszystkich połkniętych galaktyk. W sumie galaktyka zawiera około 100 miliardów gwiazd, 10 razy większych niż Droga Mleczna.
Ma, absolwentka UC Berkeley i główna autorka Emily Liepold oraz Jonelle Walsh z Texas A&M University w College Station były w stanie określić trójwymiarowy kształt M87 dzięki stosunkowo nowemu precyzyjnemu instrumentowi zamontowanemu na Teleskopie Keck II, jednym z bliźniaczych 10 metrowych teleskopów Kecka na szczycie Mauna Kea, wulkanu na Hawajach. Nazywany Keck Cosmic Web Imager (KCWI), integralny spektrometr pola pozwolił Ma i jej zespołowi zmierzyć widma gwiazd w centrum galaktyki.
Skierowali teleskop na 62 sąsiednie miejsca w galaktyce, całkowicie pokrywając obszar o średnicy około 70 000 lat świetlnych, i zarejestrowali widma gwiazd w tym regionie. Obserwacje obejmują region centralny – o średnicy około 3000 lat świetlnych – gdzie grawitacja jest w dużej mierze zdominowana przez supermasywną czarną dziurę, a także zewnętrzną część zdominowaną przez ciemną materię. Chociaż teleskop nie jest w stanie rozdzielić pojedynczych gwiazd — M87 leży około 53 milionów lat świetlnych od Ziemi — widma mogą ujawnić zakres prędkości w każdym pikselu każdego obrazu, co jest wystarczającą ilością informacji do obliczenia masy grawitacyjnej, wokół której krążą.
„To trochę tak, jakby patrzeć na rój 100 miliardów pszczół, które krążą po swoich własnych szczęśliwych orbitach” – powiedział Ma, profesor nauk fizycznych Judy Chandler Webb. „Chociaż patrzymy na nie z daleka i nie możemy rozróżnić poszczególnych pszczół, otrzymujemy bardzo szczegółowe informacje o ich zbiorowych prędkościach. To naprawdę znakomita czułość tego spektrografu pozwoliła nam tak kompleksowo sporządzić mapę M87”.
Po raz pierwszy KCWI zostało użyte do rekonstrukcji geometrii odległej galaktyki, a M87 jest jedną z niewielu gigantycznych galaktyk eliptycznych, których trójwymiarową strukturę określono. Zespół Ma wcześniej określił trójwymiarową strukturę dwóch innych gigantycznych galaktyk eliptycznych, NGC 1453 i NGC 2693, w których znajdują się mniejsze czarne dziury niż M87.
Naukowcy zebrali dane uzyskane podczas czterech nocy obserwacji Kecka w latach 2020-2022, wraz z wcześniejszymi danymi fotometrycznymi dla M87 z Kosmicznego Teleskopu Hubble’a i porównali je z przewidywaniami modelu komputerowego, jak gwiazdy poruszają się wokół centrum trójosiowej galaktyki. Najlepsze dopasowanie do danych — stosunki osiowe od 1 do 0,84 do 0,72 — pozwoliło im następnie obliczyć masę czarnej dziury.
„Dane z Kecka są tak dobre, że możemy zmierzyć wewnętrzny kształt M87 wraz z czarną dziurą w tym samym czasie” – powiedział Ma. „Dokonaliśmy pierwszego pomiaru rzeczywistego trójwymiarowego kształtu galaktyki. A ponieważ pozwoliliśmy rojowi pszczół mieć bardziej ogólny kształt niż tylko kulę lub dysk, mamy bardziej solidny dynamiczny pomiar masy centralnej czerni” dziurę, która reguluje prędkość orbitalną pszczół”.
Autorzy zadedykowali swój manuskrypt nieżyjącemu już astronomowi Wallace’owi “Walowi” Sargentowi, który jako pierwszy zasugerował, że w centrum M87 czai się supermasywna czarna dziura i obliczył jej masę na około 5 miliardów mas Słońca.
“Jego liczba to mikstura z naszymi słupkami błędów, co jest bardzo interesujące po dziesięcioleciach pracy” – powiedział Ma, który przypisuje Sargent bycie mentorem, kiedy była doktorem habilitowanym w California Institute of Technology.
Poprzednie oszacowanie masy supermasywnej czarnej dziury w M87, opublikowane w 2011 roku, opierało się na podobnej analizie dynamicznego ruchu gwiazd wokół czarnej dziury, chociaż w badaniu tym założono, że galaktyka jest osiowosymetryczna. Liczba 6,14 miliarda mas Słońca mieści się w granicach błędu nowego, dokładniejszego oszacowania. Podczas obrazowania czarnej dziury cztery lata temu naukowcy EHT oszacowali masę czarnej dziury na 6,5 miliarda mas Słońca, czyli o 21% więcej niż nowa liczba.
Co ciekawe, ciemna materia w analizowanej przez nich galaktyce jest znacznie większa niż w czarnej dziurze — około 388 miliardów mas Słońca, czyli 67% całej masy M87. Chociaż tożsamość ciemnej materii wciąż pozostaje tajemnicą, stanowi ona około 85% masy Wszechświata.
Jonelle Walsh pracuje w Instytucie Fizyki Fundamentalnej i Astronomii im. George’a P. i Cynthii Woods Mitchell w Texas A&M. Prace zostały sfinansowane przez National Science Foundation (AST-1817100, AST-2206307), Heising-Simons Foundation oraz Miller Institute for Basic Research in Science.