Dodano: 24 styczeń 2019r.

Pierwszy obraz otoczenia supermasywnej czarnej dziury w sercu Drogi Mlecznej

Dzięki sieci 13 radioteleskopów astronomowie dokonali bezprecedensowych obserwacji supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w sercu Drogi Mlecznej. Naukowcom udało się uchylić rąbka tajemnicy i wykonać najlepszy w historii obraz Sagittariusa A*.

 

Po włączeniu potężnego obserwatorium ALMA do globalnej sieci radioteleskopów astronomowie odkryli, że emisja pochodząca z supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum naszej galaktyki pochodzi ze znacznie mniejszego regionu niż wcześniej sądzono. Może to wskazywać, że dżet radiowy z supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A* (Sgr A*) jest skierowany niemal dokładnie w kierunku Ziemi.

Jak dotąd mglista chmura gorącego gazu uniemożliwiała astronomom robienie ostrych zdjęć Sgr A* i wywoływała wątpliwości co do jej prawdziwej natury. Materia, która wpada do czarnej dziury nagrzewa się i emituje światło, ale gorący gaz i pył otaczające Sgr A* odbija to światło, utrudniając dokładne obserwacje.

 

Praca międzynarodowego zespołu naukowców została opublikowana w czasopiśmie „Astrophysical Journal”.

- Centrum galaktyczne jest pełne materii wokół czarnej dziury, która działa jak oszronione szkło, przez które trudno cokolwiek dostrzec - powiedział Eduardo Ros z Max Planck Institute for Radio Astronomy w Niemczech, współautor publikacji.

Sytuacja uległa zmianie po dołączeniu do globalnej sieci radioteleskopów obserwatorium ALMA znajdującego się w Chile. To znacznie poprawiło możliwości obserwacyjne. Wykorzystując do obserwacji technikę nazywaną interferometrią wielkoobrazową (Very Long Baseline Interferometry - VLBI), która łączy wiele teleskopów, tworząc wirtualny teleskop wielkości Ziemi, udało się odwzorować dokładne właściwości rozpraszania światła blokującego nasz widok Sgr A*. Usunięcie większości efektów rozpraszania dało pierwszy obraz otoczenia czarnej dziury.

Na podstawie pozyskanych danych naukowcy stworzyli kilka modeli komputerowych do symulowania tego, co znajduje się wewnątrz gęstej chmury plazmy, pyłu i gazu otaczających czarną dziurę. Wysoka jakość obrazu pozwoliła zespołowi na ograniczenie teoretycznych modeli. Analiza pokazała, że większość emisji radiowej pochodzi z zaledwie trzystu milionowych części stopnia, a źródło ma symetryczną morfologię.

- Może to wskazywać, że emisja radiowa pochodzi raczej z dysku opadającego gazu, nie radiowego dżetu – wyjaśniła kierująca badaniami Sara Issaoun z Radboud University Nijmegen w Holandii. – Jednak gdyby tak było, Sgr A* byłaby wyjątkiem w porównaniu z innymi czarnymi dziurami emitującymi promieniowanie radiowe. Alternatywą może być to, że dżet radiowy skierowany jest dokładnie na nas – dodała.

- Może faktycznie tak jest, że patrzymy na tę bestię z bardzo szczególnego punktu widzenia – przyznał Heino Falcke, niedawny promotor Issaoun z tej samej uczelni. Dodał, że to bardzo nietypowe, ale niczego nie można wykluczyć.

Interferometr VLBI oraz ALMA. Fot. S. Issaoun, Radboud University / D. Pesce, CfA

Supermasywne czarne dziury są powszechne w centrach galaktyk i mogą generować najbardziej energetyczne zjawiska w znanym Wszechświecie. Uważa się, że materia krążąca wokół tych czarnych dziur opada na nie, a jej część jest  wyrzucana w przeciwnych kierunkach wzdłuż dwóch wąskich strumieni, zwanych dżetami, przy prędkościach zbliżonych do prędkości światła, co zwykle wytwarza dużo promieniowania radiowego.

Sgr A* jest najbliższą nam supermasywną czarną dziurą i ma masę około 4 milionów mas Słońca. Jej pozorny rozmiar na niebie jest mniejszy niż 100 milionowych części stopnia, co odpowiada rozmiarom piłki tenisowej na Księżycu widzianej z Ziemi. Aby to zmierzyć, wymagana jest technika VLBI. Rozdzielczość osiągnięta przy pomocy VLBI jest dodatkowo zwiększana przez częstotliwość obserwacji. Najwyższa częstotliwość do tej pory dla VLBI to 230 GHz. Obecne obserwacje prowadzone były na częstotliwości 86 GHz.

- Pierwsze obserwacje Sgr A* na 86 GHz pochodzą sprzed 26 lat i były prowadzone przy pomocy zaledwie kilku teleskopów. Z biegiem lat jakość danych i możliwości przetwarzania obrazu stale się poprawiały wraz ze wzrostem liczby teleskopów – przyznał J. Anton Zensus, dyrektor Max Planck Institute for Radio Astronomy.

Udział w obserwacjach radioteleskopu ALMA jest ważny ze względu na jego wrażliwość i lokalizację na półkuli południowej. Oprócz ALMA w obserwacjach uczestniczyło również dwanaście radioteleskopów zlokalizowanych w Ameryce Północnej i Europie. Osiągnięta rozdzielczość była dwukrotnie większa niż w poprzednich obserwacjach na tej częstotliwości i wytworzyła pierwszy obraz Sgr A*, który jest pozbawiony rozpraszania międzygwiezdnego (efekt spowodowany przez nieregularności gęstości w zjonizowanym materiale wzdłuż linii wzroku pomiędzy Sgr A* i Ziemią).

- Mimo że rozpraszanie powoduje rozmycie i zniekształca obraz Sgr A*, niesamowita rozdzielczość tych obserwacji pozwoliła nam określić dokładne właściwości rozproszenia – zaznaczył Michael Johnson z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, autor techniki, dzięki której można było usunąć rozproszenie i uzyskać obraz. - Możemy usunąć większość efektów rozpraszania i zobaczyć, jak wygląda otoczenie czarnej dziury – dodał.

Przyszłe badania na różnych długościach fal dostarczą uzupełniających informacji, co jest kluczem do lepszego zrozumienia czarnych dziur, najbardziej egzotycznych obiektów w znanym nam Wszechświecie.

 

Źródło: Max Planck Institute for Radio Astronomy, fot. S. Issaoun, M. Mościbrodzka, Radboud University/ M. D. Johnson, CfA. Na zdjęciu: U góry z lewej strony - symulacja Sgr A* przy 86 GHz. U góry po prawej - symulacja z dodanymi efektami rozpraszania. Na dole po prawej - rozproszony obraz z obserwacji, tak widzimy Sgr A* na niebie. Na dole po lewej - nieskompresowany obraz, po usunięciu efektów rozpraszania wzdłuż naszej linii wzroku. Tak naprawdę wygląda Sgr A*.