Dżet wyłaniający się z supermasywnej M87 czarna dziura jest dziesiątki milionów razy większy niż jego horyzont zdarzeń.
Świat był zafascynowany w 2019 roku, kiedy Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) opublikował pierwszy w historii obraz czarnej dziury – supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki M87, znanej również jako Panna A lub NGC 4486, znajdującej się w konstelacji Panna. Teraz ten kosmiczny gigant ponownie zaskakuje naukowców intensywnym rozbłyskiem promieniowania gamma, emitującym fotony miliardy razy bardziej energetyczne niż światło widzialne. Tak potężnego wybuchu nie widziano od ponad dziesięciu lat, co dostarcza cennych wskazówek na temat przyspieszania cząstek takich jak elektrony i pozytony w pobliżu ekstremalnych środowisk czarnych dziur.
Dżet wychodzący z centrum M87 jest siedem rzędów wielkości – dziesiątki milionów razy – większy niż horyzont zdarzeń, czyli powierzchnia samej czarnej dziury. Jasny wybuch wysokoenergetycznej emisji był znacznie wyższy od energii zwykle wykrywanych przez radioteleskopy z obszaru czarnej dziury. Rozbłysk trwał około trzech dni i prawdopodobnie wyłonił się z obszaru o rozmiarach mniejszych niż trzy dni świetlne, czyli nieco poniżej 25 miliardów mil.
Promieniowanie gamma to wiązka energii elektromagnetycznej, znana również jako: foton. Promienie gamma mają najwięcej energii ze wszystkich długości fal w widmie elektromagnetycznym i są wytwarzane przez najgorętsze i najbardziej energetyczne środowiska we wszechświecie, takie jak obszary wokół czarnych dziur. Fotony w rozbłysku gamma M87 mają energię na poziomie kilku teraelektronowoltów. Teraelektronowolt służy do pomiaru energii cząstek subatomowych i jest równoważny energii poruszającego się komara. To ogromna ilość energii dla cząstek, które są wiele bilionów razy mniejsze od komara. Fotony o energii kilku teraelektronowoltów są znacznie bardziej energetyczne niż fotony tworzące światło widzialne.
Akrecja i dynamika strumieni
Gdy materia opada w kierunku czarnej dziury, tworzy dysk akrecyjny, w którym cząstki są przyspieszane w wyniku utraty potencjalnej energii grawitacyjnej. Niektóre są nawet przekierowywane z dala od biegunów czarnej dziury w postaci potężnego wypływu, zwanego „dżetami”, napędzanego przez intensywne pola magnetyczne. Proces ten jest nieregularny i często powoduje gwałtowny wybuch energii zwany „rozbłyskiem”. Jednak promienie gamma nie mogą przeniknąć przez atmosferę ziemską. Prawie 70 lat temu fizycy odkryli, że promienie gamma można wykryć z ziemi, obserwując promieniowanie wtórne powstające, gdy uderzają w atmosferę.
Metody badawcze i obserwacje
„Nadal nie do końca rozumiemy, w jaki sposób cząstki są przyspieszane w pobliżu czarnej dziury lub w strumieniu” – powiedział Weidong Jin, badacz ze stopniem doktora na UCLA i współautor artykułu opisującego odkrycia opublikowanego przez międzynarodowy zespół autorów w czasopiśmie Astronomia i astrofizyka. „Te cząstki są tak energetyczne, że poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, a my chcemy zrozumieć, gdzie i jak zdobywają taką energię. Nasze badanie przedstawia najbardziej wszechstronne dane spektralne, jakie kiedykolwiek zebrano dla tej galaktyki, wraz z modelowaniem rzucającym światło na te procesy.”
Jin brał udział w analizie części zbioru danych o najwyższej energii, zwanej promieniami gamma o bardzo wysokiej energii, która została zebrana przez VERITAS — naziemny instrument promieniowania gamma działający w Obserwatorium Freda Lawrence’a Whipple’a w południowej Arizonie. Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles odegrał główną rolę w budowie VERITAS – skrótu od Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System – uczestnicząc w rozwoju elektroniki do odczytu czujników teleskopu oraz w rozwoju oprogramowania komputerowego do analizy danych teleskopu i symulacji wydajność teleskopu. Analiza ta pomogła wykryć rozbłysk, na co wskazują duże zmiany jasności, które stanowią znaczące odchylenie od zmienności linii bazowej.
Wspólne obserwacje i analiza danych
Ponad dwa tuziny renomowanych naziemnych i kosmicznych obiektów obserwacyjnych, w tym NASAFermi-LAT, Kosmiczny Teleskop Hubble’a, NuSTARteleskopy Chandra i Swift, wraz z trzema największymi na świecie teleskopami atmosferycznymi Czerenkowa do obrazowania (VERITAS, HESS i MAGIC) dołączyły do drugiej kampanii EHT i kampanii dotyczącej wielu długości fal w 2018 r. Obserwatoria te są wrażliwe na fotony promieniowania rentgenowskiego oraz odpowiednio wysokoenergetyczne i bardzo wysokoenergetyczne promieniowanie gamma.
Wgląd w przyspieszenie cząstek i promienie kosmiczne
Jeden z kluczowych zbiorów danych wykorzystanych w tym badaniu nosi nazwę widmowego rozkładu energii.
„Widmo opisuje, w jaki sposób energia ze źródeł astronomicznych, takich jak M87, rozkłada się na różne długości fal światła” – powiedział Jin. „To jak rozbicie światła na tęczę i zmierzenie ilości energii zawartej w każdym kolorze. Ta analiza pomaga nam odkryć różne procesy, które napędzają przyspieszanie cząstek o wysokiej energii w dżecie supermasywnej czarnej dziury.”
Dalsza analiza przeprowadzona przez autorów artykułu wykazała znaczne różnice w położeniu i kącie pierścienia, zwanym także horyzontem zdarzeń, oraz położeniu dżetu. Sugeruje to, że fizyczny związek między cząstkami a horyzontem zdarzeń, w różnych skalach wielkości, wpływa na położenie dżetu.
„Jedną z najbardziej uderzających cech czarnej dziury M87 jest dwubiegunowy dżet rozciągający się na tysiące lat świetlnych od jądra” – powiedział Jin. „Badanie to dało wyjątkową okazję do zbadania pochodzenia emisji promieniowania gamma o bardzo wysokiej energii podczas rozbłysku oraz zidentyfikowania miejsca, w którym cząstki powodujące rozbłysk są przyspieszane. Nasze odkrycia mogą pomóc w rozwiązaniu długotrwałej debaty na temat pochodzenia promieni kosmicznych wykrywanych na Ziemi”.
Odniesienie: „Właściwości szerokopasmowe M87 w wielu długościach fal podczas kampanii EHT 2018, w tym epizod rozbłysku o bardzo wysokiej energii” JC Algaba, M. Baloković, S. Chandra, W.-Y. Cheong, Y.-Z. Cui, F. D’Ammando, AD Falcone, NM Ford, M. Giroletti, C. Goddi, MA Gurwell, K. Hada, D. Haggard, S. Jorstad, A. Kaur, T. Kawashima, S. Kerby, J .-Y. Kim, M. Kino, EV Krawczenko, S.-S. Lee, R.-S. Lu, S. Markoff, J. Michail, J. Neilsen, MA Nowak, G. Principe, V. Ramakrishnan, B. Ripperda, M. Sasada, SS Savchenko, C. Sheridan, K. Akiyama, A. Alberdi, W. Alef, R. Anantua, K. Asada, R. Azulay, U. Bach, A.-K. Baczko, D. Ball, B. Bandyopadhyay, J. Barrett, M. Bauböck, BA Benson, D. Bintley, L. Lackburn, R. Blundell, KL Bouman, GC Bower, H. Boyce, M. Bremer, R. Brissenden , S. Britzen, AE Broderick, D. Broguiere, T. Bronzwaer, S. Bustamante, JE Carlstrom, A. Chael, C.-k. Chan, DO Chang, K. Chatterjee, S. Chatterjee, M.-T. Chen, Y. Chen, X. Cheng, I. Cho, P. Christian, NS Conroy, JE Conway, TM Crawford, GB Crew, A. Cruz-Osorio, R. Dahale, J. Davelaar, M. De Laurentis, R Deane, J. Dempsey, G. Desvignes, J. Dexter, V. Dhruv, IK Dihingia, SS Doeleman, SA Dzib, RP Eatough, R. Emami, H. Falcke, J. Farah, VL Fish, E. Fomalont, HA Ford, M. Foschi, R. Fraga-Encinas, WT Freeman, P. Friberg, CM Fromm, A. Fuentes, P. Galison, CF Gammie, R. García, O. Gentaz, B. Georgiev, R. Gold, AI Gómez-Ruiz, JL Gómez, M. Gu, R. Hesper, D. Heumann, LC Ho, P. Ho, M. Honma, C.-WL Huang, L. Huang, DH Hughes, S. Ikeda, CMV Impellizzeri, M. Inoue, S Issaoun, DJ James, BT Jannuzi, M. Janssen, B. Jeter, W. Jiang, A. Jiménez-Rosales, MD Johnson, AC Jones, AV Joshi, T. Jung, R. Karuppusamy, GK Keating, M. Kettenis, D.-J. Kim, J. Kim, J. Kim, …, DA Williams, SL Wong, Z. Chen, L. Cui, T. Hirota, B. Li, G. Li, Q. Liu, X. Liu, Z. Liu, J. Ma, K. Niinuma, H. Ro, N. Sakai, S. Sawada-Satoh, K. Wajima, J. Wang, N. Wang, B. Xia, H. Yan, Y. Yonekura, H. Zhang, R. Zhao i W. Zhong, 13 grudnia 2024 r., Astronomia i astrofizyka.
DOI: 10.1051/0004-6361/202450497
