Słynna czarna dziura w innym ujęciu. Polaryzacja i wgląd w układ pola magnetycznego

W ramach współpracy o nazwie Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope, EHT), która uzyskała pierwsze w historii syntetyczne zdjęcie czarnej dziury, zaprezentowano nowy widok tego samego supermasywnego obiektu z centrum galaktyki Messier 87 (M87). Kluczem do ujawnienia warunków magnetycznych występujących na samym obrzeżu czarnej dziury było ukazanie całego układu w świetle spolaryzowanym. Pozyskano w ten sposób kluczowe wskazówki dla wyjaśnienia, w jaki sposób oddalona od nas o 55 milionów lat świetlnych galaktyka jest w stanie emitować bardzo energetyczne strugi materii i promieniowania (tzw. dżety) ze swojego jądra.

„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 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.”

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, oceniając w jaki sposób pochodzące z niego światło jest spolaryzowane. Polaryzacja pozwala astronomom w szczególności 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" - zapewnia Andrew Chael, uczestnik projektu współpracy EHT, z 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. Nadal jednak nie było wiadomo dokładnie, jak z samego centralnego 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 sugerują, że pola magnetyczne na obrzeżach czarnej dziury jest wystarczająco silne do odepchnięcia gorącego gazu i wspomożenia go w opieraniu się przyciąganiu grawitacyjnemu" - wyjaśnia Jason Dexter z University of Colorado Boulder (USA), koordynator Teoretycznej Grupy Roboczej EHT. "Jedynie gaz, który przepływa przez pole może po spirali kierować się do wnętrza horyzontu zdarzeń” - podkreśla dalej.

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), których działanie odbywa się w partnerstwie z Europejskim Obserwatorium Południowym (ESO) – aby utworzyć wirtualny teleskop o rozmiarze Ziemi, nazwany EHT. Imponująca rozdzielczość uzyskana przez EHT odpowiada potrzebnej do zmierzenia długości karty kredytowej na powierzchni Księżyca. "Z 66 antenami, ALMA dominuje w łącznym zebranym sygnale w świetle spolaryzowanym, podczas gdy APEX był kluczowy dla obrazów kalibracyjnych" - mówi Ciska Kemper, European ALMA Programme Scientist w ESO.

“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 (obszaru ścisłego oddziaływania supermasywnego obiektu, okalanego rozgrzaną materią) i pierścienia światła wokół. Obraz w świetle spolaryzowanym wyraźnie pokazuje, że pierścień jest namagnetyzowany.

Wyniki obserwacji i analiz zostały opublikowane 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.

Źródło: ESO