Międzynarodowy zespół naukowców osiągnął kamień milowy w postaci bezpośredniej obserwacji długo poszukiwanego, najbardziej wewnętrznego pierścienia pyłowego wokół supermasywnej czarnej dziury, pod kątem prostym do wyłaniającego się dżetu. Uważano, że taka struktura istnieje w jądrach galaktyk, ale była trudna do bezpośredniego zaobserwowania, ponieważ interweniująca materia zasłaniała naszą linię wzroku.
Teraz wewnętrzny dysk jest wykrywany przy użyciu najwyższej rozdzielczości przestrzennej w zakresie fal podczerwonych, jaką kiedykolwiek uzyskano dla obiektu pozagalaktycznego. Nowe odkrycie zostało właśnie opublikowane w The Astrophysical Journal.
„To bardzo ekscytujący krok naprzód, aby zobaczyć wewnętrzny obszar odległej galaktyki z tak drobnymi szczegółami” – powiedziała Gail Schaefer, zastępca dyrektora Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) Array.
Uważa się, że w centrum każdej dużej galaktyki istnieje supermasywna czarna dziura. Gdy materia w otaczającym obszarze jest przyciągana do środka, gaz tworzy gorącą i jasną strukturę przypominającą dysk. W niektórych przypadkach dżet wyłania się z okolic czarnej dziury w kierunku prostopadłym do dysku. Jednak ta płaska struktura, która jest zasadniczo „silnikiem” tego aktywnego układu supermasywnych czarnych dziur, nigdy nie była bezpośrednio widziana, ponieważ jest zbyt mała, aby mogła zostać uchwycona przez konwencjonalne teleskopy.
Jednym ze sposobów podejścia do tej kluczowej struktury jest bezpośrednie zobaczenie zewnętrznego „pierścienia pyłowego” – gaz międzygwiezdny zawiera ziarna pyłu, małe cząstki stałe utworzone z ciężkich pierwiastków, które mogą przetrwać tylko w obszarze zewnętrznym, gdzie temperatura jest wystarczająco niska (<~1500 K). -- w przeciwnym razie metale odparowują). Podgrzany pył emituje termiczne promieniowanie podczerwone, a zatem wyglądałby jak zewnętrzny pierścień wokół czarnej dziury, gdyby układ centralny rzeczywiście miał płaską strukturę. Wykrycie jego struktury byłoby kluczowym krokiem do określenia, jak działa centralny silnik.
Próby zobaczenia tej struktury z kierunku od krawędzi są trudne, ponieważ układ jest przesłonięty przez ten sam pył, który działa jako pochłaniacz światła. Zamiast tego, w nowym badaniu zespół skupił się na układzie widzianym z góry, najjaśniejszym takim obiekcie w pobliskim wszechświecie. Detekcja wymagała jednak bardzo wysokiej rozdzielczości przestrzennej w zakresie fal podczerwonych, a jednocześnie dużej liczby teleskopów rozmieszczonych odpowiednio do obserwacji obiektów w różnych orientacjach.
Interferometr CHARA Array Uniwersytetu Stanowego Georgia w Obserwatorium Mount Wilson w Kalifornii jest jedynym obiektem, który spełnia oba te wymagania. Array składa się z 6 teleskopów, z których każdy ma zwierciadło o średnicy 1 metra, które są połączone w celu uzyskania rozdzielczości przestrzennej znacznie większego teleskopu. Chociaż każdy pojedynczy teleskop jest stosunkowo mały, układ macierzy jest zoptymalizowany do obserwacji obiektów pod różnymi kątami i przy dużych odległościach między teleskopami. Pozwala to osiągnąć bardzo wysoką rozdzielczość przestrzenną. CHARA Array ma najostrzejsze oczy na świecie w zakresie fal podczerwonych.
Dzięki CHARA Array zespół w końcu wykrył pyłowy pierścień pod kątem prostym do wyłaniającego się dżetu w centrum galaktyki o nazwie NGC 4151.
„Od dawna mieliśmy nadzieję zobaczyć tę strukturę w gołym jądrze”, mówi Makoto Kishimoto, główny badacz projektu na Uniwersytecie Kyoto Sangyo.
Dużym wzmocnieniem było to, że każdy teleskop dodał ostatnio nowy system o nazwie „optyka adaptacyjna”.
Matt Anderson, doktor habilitowany w CHARA Array, który odegrał kluczową rolę w prowadzeniu obserwacji, mówi: „To znacznie zwiększyło szybkość wstrzykiwania światła, kompensując stosunkowo małe lustro zbierające do obserwacji celu pozagalaktycznego, który jest znacznie słabszy niż cele gwiezdne zwykle obserwowane w naszej Galaktyce”.
W ciągu ostatnich prawie 40 lat badacze w tej dziedzinie wierzyli, że ten pyłowy pierścień jest kluczem do zrozumienia różnych cech akreujących systemów supermasywnych czarnych dziur. Właściwości, które obserwujemy, zależą od tego, czy mamy zaciemniony widok z boku, czy wyraźny widok z przodu jądra aktywnej galaktyki. Wykrycie tej podobnej do pierścienia struktury potwierdza ten model.
Co więcej, wykrycie prawdopodobnie nie jest tylko wskazaniem płaskiej struktury. Dodatkowe badania wykazały, że struktura widziana w nieco dłuższych falach podczerwonych, odpowiadających jeszcze większemu obszarowi zewnętrznemu, wydaje się być wydłużona wzdłuż dżetu, a nie pod kątem prostym do niego. Zostało to zinterpretowane jako oznaka zapylonego wiatru wiejącego w kierunku strumienia. Obecne odkrycie, że wewnętrzna struktura wygląda na płaską i prostopadłą do dżetu, jest ważnym powiązaniem z wietrzną strukturą i jej interakcją z resztą galaktyki otaczającej aktywny system czarnych dziur.
Te przełomowe obserwacje pozwoliły zmierzyć rozmiar i orientację dysku pyłowego. Zespół pracuje nad uzyskaniem jeszcze bardziej szczegółowego obrazu regionu centralnego poprzez zbudowanie nowego instrumentu w CHARA Array, który może zajrzeć głębiej w przestrzeń kosmiczną i rozróżnić dokładniejszą strukturę źródła.