Przełom w obserwacji czarnych dziur. Dane z 19 obserwatoriów mogą pomóc testować ogólną teorię względności Einsteina

Kilka z najpotężniejszych teleskopów na świecie jednocześnie obserwowało supermasywną czarną dziurę w galaktyce M87. To pierwsza czarna dziura, która została bezpośrednio sfotografowana przed dwoma laty. Teraz naukowcy ujawnili dane z 19 obserwatoriów – zarówno na Ziemi, jak również tych w kosmosie, które pozwalają  na głębszy wgląd w czarną dziurę. Nowe obserwacje mogą m.in. pomóc ulepszyć testy ogólnej teorii względności Einsteina.

W kwietniu 2019 roku naukowcy opublikowali pierwsze zdjęcie czarnej dziury w galaktyce M87, wykonane za pomocą teleskopu Event Horizon Telescope (EHT). Jednak to niezwykłe osiągnięcie było dopiero początkiem odkryć. Teraz naukowcy ujawnili dane z 19 obserwatoriów, umieszczonych na Ziemi i w kosmosie, które pozwalają na dokładny wgląd w tę czarną dziurę.

– Zdawaliśmy sobie sprawę z tego, że pierwsze bezpośrednie zdjęcie czarnej dziury będzie przełomowe – twierdzi Kazuhiro Hada z Narodowego Obserwatorium Astronomicznego Japonii, współautor nowego badania opublikowanego w „The Astrophysical Journal Letters”. – Aby jednak wyciągnąć jak najwięcej wiedzy z tego niezwykłego obrazu, musimy wiedzieć wszystko o zachowaniu się czarnej dziury w tamtym czasie, obserwując całe spektrum elektromagnetyczne.

Supermasywne czarne dziury w centrach niektórych aktywnych galaktyk wytwarzają potężne dżety [strugi – przyp. red.] promieniowania i cząsteczek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Przyciągnięta silną grawitacją materia opada w kierunku centralnej czarnej dziury, żywiąc się otaczającym ją gazem i pyłem. Jednak zamiast wpadać do czarnej dziury, niewielka część cząstek zostaje przyspieszona do prędkości prawie równej prędkości światła i wyrzucona w postaci dwóch wąskich wiązek wzdłuż osi obrotu czarnej dziury. Uważa się, że dżety te są źródłem najszybciej podróżujących cząstek we Wszechświecie, czyli promieni kosmicznych.

Dżety M87 wytwarzają światło obejmujące całe spektrum elektromagnetyczne, od fal radiowych po światło widzialne i promienie gamma. Intensywność światła w tym widmie daje inny wzór dla każdej czarnej dziury. Zidentyfikowanie tego wzoru, który zmienia się w czasie, daje kluczowy wgląd we właściwości obiektu.

Naukowcy poprzez skoordynowane obserwacje za pomocą kilku najpotężniejszych teleskopów zebrali światło z całego widma – światło widzialne (teleskopy Hubble i Swift), światło ultrafioletowe (teleskop Swift) i promieniowanie rentgenowskie (teleskopy Chandra i NuSTAR). Każdy dostarcza innych informacji o zachowaniu i wpływie czarnej dziury o masie 6,5 mld mas Słońca w centrum M87, która znajduje się około 55 mln lat świetlnych od Ziemi. Pomoże to zrozumieć zmienny wzór przyspieszania cząstek.

– Zrozumienie przyspieszenia cząstek jest naprawdę kluczowe dla naszego zrozumienia zarówno obrazu uzyskanego w 2019 roku przez Event Horizon Telescope, jak i dżetów, we wszystkich ich „odcieniach” – podkreśla astrofizyk Sera Markoff z Uniwersytetu w Amsterdamie.

Pierwsze wyniki pokazują, że natężenie światła wytwarzanego przez materię wokół supermasywnej czarnej dziury M87 było najniższe, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Stworzyło to idealne warunki do oglądania „cienia” czarnej dziury, umożliwiło też odizolowanie światła z regionów w pobliżu horyzontu zdarzeń od czarnej dziury.

Połączenie danych z tych teleskopów oraz obecnych i przyszłych obserwacji EHT umożliwi naukowcom prowadzenie ważnych badań. Naukowcy planują wykorzystać te dane do udoskonalenia testów ogólnej teorii względności Einsteina. Obecnie niepewność co do materiału obracającego się wokół czarnej dziury i wyrzucanego przez dżety, w szczególności właściwości określające emitowane światło, stanowią główną przeszkodę. Dżety wystrzeliwane z czarnych dziur są najbardziej prawdopodobnym źródłem promieni kosmicznych o najwyższej energii, ale jest wiele wątpliwości co do miejsc, w których cząstki są przyspieszane.

– Dżety potrafią transportować energię uwolnioną przez czarną dziurę na ogromne odległości, poza galaktykę, w której się znajduje – niczym ogromny przewód zasilający. Nasze wyniki pomogą nam obliczyć ilość przenoszonej energii oraz wpływ tych strug na otoczenie czarnej dziury – wskazuje Sera Markoff.

Dane zostały zebrane przez zespół 760 naukowców i inżynierów z prawie 200 instytucji w 32 krajach, którzy korzystali z obserwatoriów finansowanych przez instytucje na całym świecie. Obserwacje trwały od końca marca do połowy kwietnia 2017 roku.

 – Ten niesamowity zestaw obserwacji pochodzi z wielu najlepszych teleskopów świata – wskazuje współautor badania Juan Carlos Algaba z Uniwersytetu Malaya w Kuala Lumpur w Malezji. – To wspaniały przykład współpracy astronomów z całego świata w dążeniu do nauki.