W ubiegłym roku Teleskop Horyzontu Zdarzeń dostarczył pierwsze obrazy supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum galaktyki M87. Nowe analizy archiwalnych i niepublikowanych dotąd danych z lat 2009-2013 pokazały nieznane zachowanie czarnej dziury na przestrzeni lat, ujawniając utrzymywanie się podobnej do półksiężyca cechy cienia czarnej dziury i zmianę jej orientacji. Okazuje się, że cień czarnej dziury kołysze się niczym rozkręcony dziecięcy bączek. Badaniami kierował polski astronom Maciej Wielgus.
Czarne dziury nie emitują i nie odbijają światła. Obiekty te są tak masywne, że po osiągnięciu pewnego punktu (horyzontu zdarzeń) prędkość ucieczki, czyli prędkość potrzebna do opuszczenia pola grawitacyjnego obiektu, przekracza prędkość światła w próżni i nawet światło nie jest w stanie opuścić tego obszaru. Jednak mimo to, naukowcy z projektu Event Horizon Telescope potrafili przedstawić nam, jak naprawdę wygląda czarna dziura, a właściwie jej cień.
Niezwykłe obrazy supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87 opublikowane w zeszłym roku, otworzyły nowy rozdział w astronomii. Grupa naukowców analizując niepublikowane dotąd dane obserwacyjne z lat 2009-2013 doszła do kilku ciekawych wniosków na temat zmian cienia czarnej dziury. Okazuje się, ze cień się chwieje. Odkrycia te ukazały się na łamach pisma „The Astrophysical Journal”. Pierwszym autorem publikacji jest polski astronom dr Maciej Wielgus pracujący w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics.
Pierwsze obrazy czarnej dziury uczeni uzyskali przy pomocy Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope - EHT). To sieć radioteleskopów rozsianych po całym świecie, które pracują na falach milimetrowych i submilimetrowych. Razem tworzą teleskop o rozmiarach Ziemi. Dzięki wykorzystaniu techniki zwanej interferometrią wielkobazową, dane odbierane przez niezależne radioteleskopy zapisywane są razem, co ułatwia ich późniejszą analizę.
- W zeszłym roku widzieliśmy obraz cienia czarnej dziury, składający się z jasnego półksiężyca utworzonego przez gorącą plazmę wirującą wokół M87* i ciemnej części centralnej, w której spodziewamy się, że znajduje się horyzont zdarzeń czarnej dziury - powiedział Wielgus. - Ale te wyniki opierały się tylko na obserwacjach przeprowadzonych w ramach tygodniowego okna w kwietniu 2017 r. To zdecydowanie za krótki okres, aby zobaczyć wiele zmian. Opierając się na ubiegłorocznych wynikach, zadaliśmy sobie pytanie: czy półkolisty kształt jest zgodny z danymi archiwalnymi? Czy starsze dane pokazują podobny rozmiar i orientację tego fragmentu? - dodał badacz.
W latach 2009-2013 czarna dziura w centrum galaktyki M87 była obserwowana przy pomocy prototypowych matryc EHT, a teleskopy były zlokalizowane w trzech różnych miejscach w latach 2009-2012 i czterech w 2013 roku. W 2017 roku EHT osiągnął pełną moc dzięki teleskopom umieszczonym w pięciu różnych miejscach na całym świecie.
Obserwacje z lat 2009-2013 zawierają znacznie mniej danych niż te wykonane w 2017 roku, co uniemożliwia stworzenie na ich podstawie obrazu. Ale naukowcy użyli ich do przyglądnięcia się zmianom w wyglądzie czarnej dziury. Zastosowali do tego modelowanie statystyczne. Przy czym, o ile przy podejściu obrazowym nie są dokonywane żadne założenia co do kształtu źródła, w modelowaniu dane są porównywane z zestawem różnych geometrycznych wzorców – w tym przypadku pierścieni o niejednorodnej jasności. Następnie sieć statystyczna sprawdza czy dane są zgodne z takimi modelami i wyszukuje zestaw najlepiej pasujących parametrów.
Rozszerzając analizę na obserwacje z lat 2009–2017, naukowcy wykazali, że M87* spełnia teoretyczne oczekiwania. Średnica cienia czarnej dziury pozostała zgodna z przewidywaniami ogólnej teorii względności Alberta Einsteina dla czarnej dziury o masie 6,5 miliarda mas Słońca.
- W tym badaniu pokazujemy, że ogólna morfologia lub obecność asymetrycznego pierścienia najprawdopodobniej utrzymuje się w skali czasowej kilku lat - powiedział Kazu Akiyama z National Radio Astronomy Observatory (NRAO), współautor publikacji. - Spójność tych obserwacji daje nam większą niż kiedykolwiek pewność co do natury M87* i pochodzenia cienia - dodał.
Ale chociaż średnica półksiężyca pozostała niezmienna, naukowcy odkryli, że jasny pierścień obracał się w ciągu tych kilku lat obserwacji. Po raz pierwszy uczeni mogli prześledzić dynamiczną strukturę przepływu akrecyjnego, czyli materii opadającej na czarną dziurę, tak blisko horyzontu zdarzeń czarnej dziury, w ekstremalnych warunkach grawitacyjnych.
Gaz opadający na czarną dziurę nagrzewa się do miliardów stopni, ulega jonizacji i staje się turbulentny w obecności pól magnetycznych. - Ponieważ przepływ materii jest turbulentny, półksiężyc wydaje się kołysać - powiedział Wielgus. - Właściwie to widzimy tam sporą zmienność. Nie wszystkie teoretyczne modele akrecji pozwalają na tak duże kołysanie. Oznacza to, że możemy zacząć wykluczać niektóre modele w oparciu o obserwowaną dynamikę źródła - dodał.
- Kiedy po raz pierwszy mierzyliśmy rozmiar M87* w 2009 roku, nie mogliśmy przewidzieć, że da nam to pierwsze informacje na temat dynamiki czarnej dziury. Jeśli chcesz zobaczyć, jak czarna dziura ewoluowała w ciągu dekady, nic nie zastąpi tych dziesięciolecia danych - zaznaczył Sheperd S. Doeleman, dyrektor EHT.
- Już pracujemy nad analizą danych z obserwacji z 2018 roku, uzyskanych przy pomocy dodatkowego teleskopu znajdującego się na Grenlandii. W 2021 roku planujemy obserwacje w użyciem dodatkowych dwóch teleskopów rozmieszczonych w różnych miejscach, co powinno zapewnić niezwykłą jakość obrazowania. To naprawdę ekscytujący czas na badanie czarnych dziur – wyjawił Geoffrey Bower z Research Scientist of the Academia Sinica, Institute of Astronomy and Astrophysics.
W międzynarodowym gronie autorów najnowszej publikacji, oprócz doktora Wielgusa znalazła się także Monika Mościbrodzka z Radboud University w Nijmegen w Holandii.
Źródło: Event Horizon Telescope, fot. M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration
