Na opublikowanym dwa lata temu pierwszym w historii obrazie czarnej dziury naukowcom udało się odtworzyć kierunek polaryzacji światła, co daje nam pewne wyobrażenie o tym, jak pola magnetyczne wokół krawędzi supermasywnej czarnej dziury tworzą potężne strumienie materii wyrzucane w przestrzeń kosmiczną na ogromne odległości w postaci tzw. dżetów.
Naukowcy zaangażowani w projekt Event Horizon Telescope opublikowali pierwsze w swoim rodzaju obrazy pola magnetycznego wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87 (M87). Obrazy te mogą pomóc wyjaśnić, w jaki sposób czarna dziura pochłania materię i wyrzuca w przestrzeń kosmiczną potężne strumienie plazmy długie na tysiące lat świetlnych. Wyniki nowych badań ukazały się w dwóch publikacjach w „Astrophysical Journal Letters” (1, 2).
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.
Wszystko dzięki 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 projekcie EHT uczestniczy ponad 300 naukowców z całego świata, także z Polski. Prof. Monika Mościbrodzka z Uniwersytetu Radboud w Holandii jest koordynatorką Polarymetrycznej Grupy Roboczej EHT. Z kolei dr Maciek Wielgus z Black Hole Initiative na Harvard University w USA zajmuje się weryfikacją danych i bada czasową zmienność obserwowanych źródeł.
Wokół czarnej dziury z gigantycznymi prędkościami krąży rozpalona do olbrzymich temperatur materia. Ten dysk akrecyjny pyłu i gazu krąży niezwykle blisko horyzontu zdarzeń – strefy otaczającej czarną dziurę oddzielającą obserwatora od zdarzeń, o których nigdy nie będzie miał żadnych informacji. To granica, po której przekroczeniu nie ma powrotu.
Zobrazowany dwa lata temu obiekt to supermasywna czarna dziura znajdująca się w centrum galaktyki M87, oddalonej od nas o około 55 milionów lat świetlnych. To co pokazał pierwszy obraz czarnej dziury, to nic innego jak kulisty kształt horyzontu zdarzeń masywnego obiektu otoczony przez jasny pierścień utworzony przez krążącą wokół rozpaloną plazmę.
Kontynuując tamte prace, zespół naukowców zagłębił się w dane dotyczące supermasywnego obiektu w sercu galaktyki M87 zebrane w 2017 roku. Uczeni odkryli, że znaczna część światła wokół czarnej dziury jest spolaryzowana, co pozwoliło poznać również własności pola magnetycznego wokół krawędzi czarnej dziury. Naukowcy odkryli, że pole magnetyczne może być wystarczająco silne, aby wypchnąć materię, która w przeciwnym razie bezpowrotnie wpadłaby poza horyzont zdarzeń czarnej dziury. Rezultatem jest strumień materii i energii, który wylatuje z czarnej dziury i otaczającej ją galaktyki jak reflektor.
Światło ulega spolaryzowaniu, gdy przechodzi przez określone filtry, jak chociażby soczewki polaryzacyjnych okularów przeciwsłonecznych, lub gdy jest emitowane w gorących obszarach przestrzeni, w których obecne są pola magnetyczne. W ten sam sposób, w jaki polaryzacyjne okulary przeciwsłoneczne poprawiają nasze widzenie poprzez redukcję odbić i odblasków od jasnych powierzchni, astronomowie mogą wyostrzyć swój obraz obszaru wokół czarnej dziury, obserwując, jak spolaryzowane jest światło z niej pochodzące. W szczególności polaryzacja umożliwia astronomom mapowanie linii pola magnetycznego obecnych na wewnętrznej krawędzi czarnej dziury.
- To kolejny kluczowy dowód pozwalający zrozumieć, jak pola magnetyczne zachowują się wokół czarnych dziur i jak aktywność w tym bardzo zwartym obszarze kosmosu może napędzać potężne dżety, które rozciągają się daleko poza galaktykę - mówi Mościbrodzka.
- Ta praca jest kamieniem milowym. Polaryzacja światła niesie informacje, które pozwalają nam lepiej zrozumieć fizykę stojącą za obrazem czarnej dziury, który ujrzeliśmy w kwietniu 2019 r., co nie było możliwe wcześniej. Uzyskanie nowego obrazu w świetle spolaryzowanym wymagało wielu lat pracy ze względu na złożone techniki związane z pozyskiwaniem i analizowaniem danych - wyjaśnia Iván Martí-Vidal z Uniwersytecie w Walencji, drugi z koordynatorów Polarymetrycznej Grupy Roboczej EHT.
Po przekroczeniu krytycznego progu bliskości, nic nie może uciec z objęć czarnej dziur. Ale nie cała materia dysku akrecyjnego wirująca wokół masywnego obiektu nieuchronnie kończy poza horyzontem zdarzeń. Niewielka jej część w jakiś sposób przedostaje się z wewnętrznego obszaru dysku akrecyjnego do biegunów, gdzie jest wyrzucana w przestrzeń w postaci strumieni zjonizowanej plazmy, z prędkością stanowiącą znaczący procent prędkości światła.
Astrofizycy od dawna podejrzewali, że pola magnetyczne odgrywają rolę zarówno we wspomaganiu wzrostu czarnych dziur, jak i w wyrzucaniu materii i energii w potężnych dżetach. Dotychczas uczeni byli w stanie zmierzyć pola magnetyczne w dżetach, ale nowe badania dają im możliwość spojrzenia bezpośrednio na pole magnetyczne wytwarzające dżety.
Jasne dżety energii i materii wyrzucane są z ogromną prędkością z jądra M87 i rozciągają się na co najmniej 5000 lat świetlnych od centrum galaktyki. To jedna z najbardziej tajemniczych i energetycznych cech M87. Większość materii krążącej blisko krawędzi czarnej dziury wpada do środka. Jednak jej część jest w stanie uciec przed wpadnięciem w sidła czarnej dziury i jest wyrzucana w przestrzeń kosmiczną w postaci dżetów.
Naukowcy oparli się na modelach zachowania materii w pobliżu czarnej dziury, aby lepiej zrozumieć ten proces. Choć nadal nie wiadomo dokładnie, w jaki sposób dżety większe niż sama galaktyka są wyrzucane z jej jądra, które pod względem wielkości jest porównywalne z Układem Słonecznym. Prawdę powiedziawszy to nie wiadomo też, jak dokładnie materia jest pochłaniana przez czarną dziurę. Dzięki nowemu obrazowi czarnej dziury i jej cienia w świetle spolaryzowanym naukowcom udało się po raz pierwszy zajrzeć w obszar tuż obok czarnej dziury, gdzie występuje wzajemna zależność pomiędzy materią dopływającą, a wyrzucaną. Obserwacje te dostarczają nowych informacji o strukturze pól magnetycznych na krawędzi czarnej dziury. Zespół odkrył, że tylko modele teoretyczne wskazujące na gaz znajdujący się pod silnym wpływem pól magnetycznych mogą wyjaśnić to, co można zobaczyć przy horyzoncie zdarzeń.
- Obserwacje sugerują, że pola magnetyczne na krawędzi czarnej dziury są wystarczająco silne, aby odepchnąć gorący gaz i pomóc mu oprzeć się przyciąganiu grawitacji. Tylko gaz, który prześlizguje się przez pole, może spiralnie skierować się do wnętrza horyzontu zdarzeń - wyjaśnia Jason Dexter z University of Colorado w Boulder, koordynator Teoretycznej Grupy Roboczej EHT.
Źródło: ESO, fot. EHT Collaboration
