Astronomowie uzyskali obraz pól magnetycznych na obrzeżu czarnej dziury w M87
Dodane przez jacek dnia 28/03/2021 15:06:12
Astronomowie uzyskali obraz pól magnetycznych na obrzeżu czarnej dziury w M87 Obraz z ALMA dżetu w M87 w świetle spolaryzowanym
Zdjęcie pokazuje widok dżetu w galaktyce Messier 87 (M87) w świetle spolaryzowanym. uzyskano je przy pomocy działającej w Chile sieci Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), w której ESO jest partnerem. Obraz pokazuje fragment dżetu o rozmiarze 6000 lat świetlnych, bliżej centrum galaktyki. Linie wskazują orientację polaryzacji, co ma związem z polem magnetycznym na sfotografowanym obszarze. Ten obraz z ALMA daje nam wskazówki jak wygląda struktura pola magnetycznego wzdłuż dżetu.
Źródło: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.

W ramach współpracy o nazwie Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope, EHT), która uzyskała pierwsze w historii zdjęcie czarnej dziury, zaprezentowano dzisiaj nowy widok masywnego obiektu w centrum galaktyki Messier 87 (M87): jak wygląda w świetle spolaryzowanym. Po raz pierwszy astronomom udało się zmierzyć polaryzację, która jest sygnaturą pól magnetycznych, tak blisko brzegu czarnej dziury. Obserwacje są kluczowe dla wyjaśnienia w jaki sposób oddalona od nas o 55 milionów lat świetlnych galaktyka M87 jest w stanie wystrzeliwać energetyczne dżety ze swojego jądra.
Treść rozszerzona
„Widzimy teraz następny kluczowy dowód pozwalający zrozumieć, jak pola magnetyczne zachowują się wokół czarnych dziur i jak aktywność w tym bardzo zwartym obszarze może napędzać dżety, które rozciągają się daleko poza galaktykę” mówi Monika Mościbrodzka z Radboud University w Holandii, koordynatorka Polarymetrycznej Grupy Roboczej EHT.

10 kwietnia 2019 roku naukowcy zaprezentowali pierwszy w historii obraz czarnej dziury, pokazujący jasną strukturę podobną do pierścienia z ciemnym centralnym obszarem — cieniem czarnej dziury. Od tamtej pory zespól EHT zagłębił się jeszcze dokładniej w dane na temat supermasywnego obiektu w sercu galaktyki M87 zebrane w 2017 roku. Odkryto, iż znacząca część światła wokół czarnej dziury w M87 jest spolaryzowana.

„Te badania to duży krok naprzód: polaryzacja światła niesie informacje, które pozwalają nam na lepsze zrozumienie fizyki stojącej za zdjęciem, które zobaczyliśmy w kwietniu 2019 roku, co nie było możliwe wcześniej” wyjaśnia Iván Martí-Vidal, który również koordynuje Polarymetryczną Grupą Roboczą EHT oraz ma stanowisko GenT Distinguished Researcher na Uniwersytecie w Walencji w Hiszpanii. Dodaje także, że “uzyskanie tego nowego obrazu w świetle spolaryzowanym wymagało lat pracy z powodu złożoności technik wykorzystywanych w uzyskiwaniu i analizie danych.”

Astronomowie uzyskali obraz pól magnetycznych na obrzeżu czarnej dziury w M87 Widok supernasywnej czarnej dziury w M87 i jej dżetu w świetle spolaryzowanym
Ta składanka zdjęć pokazuje w świetle spolaryzowanym trzy ujęcia centralnego obszaru galaktyki Messier 87 (M87). Galaktyka posiada w swoim centrum supermasywną czarną dziurę słynną ze swoich dżetów, które rozciągają się daleko poza galaktykę.
Jedno ze zdjęć, uzyskane przy pomocy działającej w Chile sieci Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), w której ESO jest partnerem, pokazuje część dżetu w świetle spolaryzowanym. Na tym zdjęciu mieści się fragment dżetu o rozmiarze 6000 lat świetlnych, bliżej centrum galaktyki.
Kolejne zdjęcia pokazują powiększenie bliżej supermasywnej czarnej dziury: środkowe pokrywa obszar około jednego roku świetlnego i zostało uzyskane prrzy pomocy Very Long Baseline Array (VLBA), należącej do National Radio Astronomy Observatory w USA.
Największe powiększenie pokazuje trzecie zdjęcie, któe zostało uzyskane dzięki połączeniu ośmiu teleskopów na całym świecie, aby utworzyć wirtualny teleskop o rozmirach Ziemit - Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT). To pozwala astronomom na spojrzenie bardzo blisko supermasywnej czarnej dziury, na obszar, z którego wystrzeliwane są dżety.
Linie wskazują kierunek polaryzacji, co ma związek z polem magnetycznym na sfotografowanym obszarze. Dane z ALMA dostarczają opisu struktury pola magnetycznego wdłuż dżetu. Zatem połączona informacja od EHT i ALMA pozwala astronomom na prześledzenie roli pól magnetycznych z pobliża horyzontu zdarzeń (zbadanego przez EHT w dni świetlnych) aż do dalekich granic galaktyki M87, wzdłuż jej potężnych dżetów (zbadanych przez ALMA w skalach tysiecy lat świetlnych).
Wartości w GHz odnoszą się do częstotliwości światła, na których wykonywano poszczególne obserwacje. Linie poziome pokazują skalę (w latach świetlnych) dla każdego z poszczególnych zdjęć.
Źródło:EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Martí-Vidal
Światło staje się spolaryzowane, gdy przechodzi przez specjalne filtry, takie jak soczewki polaryzacyjnych okularów przeciwsłonecznych, albo gdy jest emitowane w gorących obszarach kosmosu, gdzie występują pola magnetyczne. W ten sam sposób, w jaki polaryzacyjne okulary przeciwsłoneczne pomagają nam widzieć lepiej, redukując odbicia i poświatę od jasnych powierzchni, astronomowie mogą wyostrzyć swój widok obszaru wokół czarnej dziury, patrząc w jaki sposób pochodzące z niego światło jest spolaryzowane. W szczególności polaryzacja pozwala astronomom na wykonanie map linii pola magnetycznego istniejącego na obrzeżach czarnej dziury.

„Nowo opublikowane spolaryzowane obrazy są kluczowe dla zrozumienia, jak pole magnetyczne pozwala czarnej dziury ‘pożerać’ materię i wystrzeliwać potężne dżety’ mówi Andrew Chael biorący udział we współpracy EHT, NASA Hubble Fellow w Princeton Center for Theoretical Science oraz Princeton Gravity Initiative w USA.

Jasne dżety energii i materii, które wychodzą z jądra M87 i rozciągają się na co najmniej 5000 lat świetlnych od centrum, są jedną z najbardziej tajemniczych i energetycznych cech galaktyki. Większość materii znajdująca się blisko brzegu czarnej dziury opada na nią. Jednak część otaczających ją cząstek ucieka na chwilę przed pochwyceniem i są wyrzucane w przestrzeń kosmiczną w formie dżetów.

Astronomowie posługują się różnymi modelami tego, jak materia zachowuje się blisko czarnej dziury, aby lepiej zrozumieć ten proces. Ale nadal nie wiadomo dokładnie jak z centralne rejonu (porównywalnego rozmiarem z Układem Słonecznym) wystrzeliwane są dżety większe od galaktyki, ani jak dokładnie materia opada na 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 dostarczają nowych informacji na temat struktury pól magnetycznych tuż obok czarnej dziury. Zespół odkrył, że tylko modele teoretyczne z gazem pod wpływem silnych pól magnetycznych mogą wyjaśnić to co widać przy horyzoncie zdarzeń.

„Obserwacje sugerują, że pola magnetyczne na obrzeżach czarnej dziury jest wystarczająco silne do odepchnięcia gorącego gazu i wspomożenia go w opieraniu się przyciąganiu grawitacyjnemu. Jedynie gaz, który przepływa przez pole może po spirali kierować się do wnętrza horyzontu zdarzeń” wyjaśnia Jason Dexter z University of Colorado Boulder (USA), koordynator Teoretycznej Grupy Roboczej EHT.

Aby obserwować serce galaktyki M87, połączono osiem teleskopów na świecie – w tym pracującą w północnym Chile na pustyni Atakama sieć Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) oraz Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), w których Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) jest partnerem – aby utworzyć wirtualny teleskop o rozmiarze Ziemi, nazwany EHT. Imponująca rozdzielczość uzyskana przez EHT odpowiada potrzebnej do zmierzenia długości karty kredytowej na powierzchni Księżyca.

„Dzięki ALMA i APEX, które poprzez swoją południową lokalizację polepszają jakość obrazu, dodając do sieci EHT rozproszenie geograficzne, naukowcy europejscy byli w stanie odegrać centralną rolę w tych badaniach” mówi Ciska Kemper, European ALMA Programme Scientist w ESO. „Z 66 antenami ALMA dominuje w łącznym zebranym sygnale w świetle spolaryzowanym, podczas gdy APEX był kluczowy dla obrazów kalibracyjnych.”

“Dane z ALMA były także kluczowe dla kalibracji, zobrazowania i interpretacji obserwacji, dostarczając wąskich ograniczeń na modele teoretyczne, które wyjaśniają, jak materia zachowuje się blisko horyzontu zdarzeń czarnej dziury” dodaje Ciriaco Goddi, naukowiec z Radboud University i Leiden Observatory w Holandii, który kierował towarzyszącymi badaniami opartymi wyłącznie o obserwacje ALMA.

Konfiguracja EHT pozwoliła zespołowi na bezpośrednie obserwacje cienia czarnej dziury i pierścienia światła wokół. Obraz w świetle spolaryzowanym wyraźnie pokazuje, że pierścień jest namagnetyzowany. Wyniki zostały opublikowane dzisiaj przez zespół EHT w dwóch osobnych artykułach w The Astrophysical Journal Letters. W badania zaangażowanych było ponad 300 naukowców z wielu organizacji i uniwersytetów na całym świecie.

„EHT czyni gwałtowne postępy, z technologicznymi modernizacjami dokonywanymi w ramach sieci i dodawanymi nowymi obserwatoriami. Spodziewamy się, że przyszłe obserwacje EHT pokażą bardziej dokładnie strukturę pola magnetycznego wokół czarnej dziury i powiedzą nam więcej o fizyce gorącego gazu w tym rejonie” podsumowuje Jongho Park, East Asian Core Observatories Association Fellow na Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics w Taipei, współpracownik projektu EHT.

Więcej informacji
Wyniki badań zaprezentowano w dwóch artykułach przygotowanych przez EHT, opublikowanych dzisiaj w The Astrophysical Journal Letters: "First M87 Event Horizon Telescope Results VII: Polarization of the Ring" (doi: 10.3847/2041-8213/abe71d) oraz "First M87 Event Horizon Telescope Results VIII: Magnetic Field Structure Near The Event Horizon" (doi: 10.3847/2041-8213/abe4de). Towarzyszące badania zaprezentowano w artykule "Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA" (doi: 10.3847/2041-8213/abee6a) autorskwa: Goddi, Martí-Vidal, Messias, EHT collaboration, który został zaakceptowany do publikacji w The Astrophysical Journal Letters.

Współpraca EHT obejmuje ponad 300 badaczy z Afryki, Ameryki Północnej, Ameryki Południowej, Azji, Europy. Celem tej międzynarodowa współpracy jest uzyskanie najbardziej szczegółowych obrazów czarnej dziury poprzez utworzenie wirtualnego teleskopu o rozmiarze Ziemi. Projekt jest wspierany przez znaczne inwestycje międzynarodowe. EHT łączy istniejące teleskopy korzystając z nowatorskiego system – tworząc fundamentalnie nowy instrument z największa kątową zdolnością rozdzielczą kiedykolwiek osiągniętą.

Zaangażowane są następujące teleskopy: ALMA, APEX, Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM) 30-meter Telescope, IRAM NOEMA Observatory, James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope (LMT), Submillimeter Array (SMA), Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT), Kitt Peak Telescope, oraz Greenland Telescope (GLT).

Konsorcjum EHT obejmuje 13 instytutów: Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, University of Arizona, University of Chicago, East Asian Observatory, Goethe-Universitaet Frankfurt, Institut de Radioastronomie Millimétrique, Large Millimeter Telescope, Max Planck Institute for Radio Astronomy, MIT Haystack Observatory, National Astronomical Observatory of Japan, Perimeter Institute for Theoretical Physics, Radboud University oraz Smithsonian Astrophysical Observatory.

Źródło: ESO