28.10.2020
PL EN
23.09.2020 aktualizacja 23.09.2020

Chwiejny cień czarnej dziury w galaktyce M87

Widok supermasywnej czarnej dziury M87* uzyskany przy pomocy modelowania geometrycznego dla danych z sieci radioteleskopów EHT z lat 2009-2017. Dla porównania pokazano też rzeczywisty obraz otrzymany w roku 2017. Średnica wszystkich pierścieni jest podobna, ale położenie jasnej części ulega zmianom. Różnica w grubości pierścieni jest najprawdopodobniej sztucznym artefaktem wynikającym z ograniczonej liczby stacji VLBI uczestniczących w starszych obserwacjach. Źródło: M.Wielgus, D.Pesce, EHT Collaboration Widok supermasywnej czarnej dziury M87* uzyskany przy pomocy modelowania geometrycznego dla danych z sieci radioteleskopów EHT z lat 2009-2017. Dla porównania pokazano też rzeczywisty obraz otrzymany w roku 2017. Średnica wszystkich pierścieni jest podobna, ale położenie jasnej części ulega zmianom. Różnica w grubości pierścieni jest najprawdopodobniej sztucznym artefaktem wynikającym z ograniczonej liczby stacji VLBI uczestniczących w starszych obserwacjach. Źródło: M.Wielgus, D.Pesce, EHT Collaboration

Nowe wyniki badań cienia supermasywnej czarnej dziury w galaktyce M87 ogłosili astronomowie z międzynarodowego projektu o nazwie Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT). Okazuje się, że jasny półkolisty pierścień widoczny wokół cienia czarnej dziury ulega zmianom. Pierwszym autorem publikacji jest polski astronom dr Maciek Wielgus pracujący w Stanach Zjednoczonych.

W roku 2019 po raz pierwszy udało uzyskać zdjęcia cienia czarnej dziury w galaktyce M87, co było olbrzymim wydarzeniem naukowym, które obiegło okładki gazet i pierwsze strony portali internetowych na całym świecie. Mając doświadczenia z ubiegłego roku, badacze ponownie przeanalizowali archiwalne dane z lat 2009-2013, z których część nie była do tej pory publikowana. W środę naukowcy z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (ang. Event Horizon Telescope, w skrócie EHT) ogłosili kolejne wyniki analiz dotyczących tej supermasywnej czarnej dziury (oznaczonej jako M87*).

Teleskop Horyzontu Zdarzeń to globalna sieć radioteleskopów wykonujących zsynchronizowane obserwacje przy pomocy techniki interferometrii wielkobazowej (VLBI). Wspólnie tworzą wirtualny teleskop o wielkości całej Ziemi, uzyskując dzięki temu niesamowicie dużą zdolność rozdzielczą.

„EHT ma taką zdolność rozdzielczą, że moglibyśmy obserwować mecz bilardowy odbywający się na Księżycu” - porównuje dr Maciek Wielgus, polski astronom z Black Hole Initiative na Harvard University oraz Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics, pierwszy autor nowej publikacji, która ukazała się w „Astrophysical Journal”.

Jak tłumaczy dr Wielgus, w ubiegłym roku zobaczyliśmy obraz cienia czarnej dziury, zawierający jasny półkolisty, półksiężycowy kształt uformowany przez plazmę wirującą wokół M87* oraz ciemną centralną część, gdzie spodziewamy się horyzontu zdarzeń czarnej dziury.

„Te wyniki bazowały jednak na obserwacjach prowadzonych jedynie przez tydzień w kwietniu 2017 r., co jest zbyt krótkim czasem, aby dostrzec 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?” - tłumaczy polski astronom.

Obserwacje z lat 2009-2013 zawierają niestety dużo mniej danych niż z roku 2017, nie jest możliwe więc utworzenie obrazu. Zamiast tego badacze z EHT wykorzystali metody modelowania statystycznego, aby sprawdzić jak przebiegały w czasie zmiany w wyglądzie M87*. 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.

Poszerzone analizy dla lat 2009-2017 pokazały, że M87* spełnia założenia teoretyczne. Średnica cienia czarnej dziury jest zgodna z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina dla czarnej dziury o masie 6,5 miliarda mas Słońca.

Jednak, o ile średnica półkola pozostaje zgodna, to okazało się, że w danych kryje się niespodzianka. Okazało się, że kształt jasnego pierścienia obracał się w ciągu tych kilku lat obserwacji. Tym samym po raz pierwszy udało się prześledzić dynamiczną strukturę przepływu akrecyjnego (materii opadającej na czarną dziurę) tak blisko czarnej dziury. Gaz opadający na czarną dziurę rozgrzewa się do miliardów stopni Celsjusza, ulega jonizacji i staje się turbulentny w obecności pól magnetycznych. A ponieważ występują turbulencje w przepływie materii, jasne półkole wydaje się „kołysać”.

„Widzimy tam całkiem sporą zmienność. Nie wszystkie modele teoretyczne opisujące akrecję pozwalają na takie +chybotanie+. Oznacza to, że możemy zacząć wykluczać niektóre z modeli w oparciu o zaobserwowaną dynamikę źródła. Pozwoli to na lepsze zrozumienie własności obserwowanego obiektu i ogólnie własności czarnych dziur” podsumowuje dr Wielgus.

Naukowcy pracują nad analizą jeszcze szerszego zestawu danych, uwzględniającego obserwacje z 2018 roku uzyskane dodatkowym teleskopem na Grenlandii. Natomiast na rok 2021 planują dalsze obserwacje z dwoma dodatkowymi obserwatoriami, co powinno polepszyć jakość obrazu.

W międzynarodowym gronie autorów najnowszej publikacji, oprócz doktora Wielgusa znalazła się także Monika Mościbrodzka z Radboud University w Nijmegen w Holandii. 

PAP - Nauka w Polsce

cza/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2020