M87, wybitna galaktyka w gromadzie w Pannie, zyskała sławę po tym, jak Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) ujawnił pierwsze zdjęcie galaktyki czarna dziura w jego centrum.
W kolejnym badaniu przeanalizowano dane z kampanii EHT z 2018 r., w których zgłoszono rzadki rozbłysk promieniowania gamma – pierwszy od ponad dziesięciu lat – powiązany z supermasywną czarną dziurą w galaktyce. Rozbłysk dostarczył cennych informacji na temat obszarów emisji, dynamiki dżetów i przyspieszania cząstek o wysokiej energii, dzięki współpracy wiodących teleskopów i badaczy.
M87 i jej pionierskie obserwacje
M87, znana również jako Panna A lub NGC 4486, jest najjaśniejszą galaktyką w gromadzie w Pannie — największej strukturze we wszechświecie związanej grawitacyjnie. Zyskała światowe uznanie w kwietniu 2019 r., kiedy Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) opublikował pierwszy w historii obraz czarnej dziury w jej centrum.
Wyniki niedawnego badania prowadzonego przez grupę roboczą EHT ds. wielu długości fal, opublikowane w czasopiśmie Astronomia i astrofizykaprzedstawia ustalenia z drugiej kampanii obserwacyjnej EHT przeprowadzonej w kwietniu 2018 r. W kampanii tej wzięło udział ponad 25 teleskopów na Ziemi i w przestrzeni kosmicznej, co czyni ją jedną z najbardziej wszechstronnych wysiłków obserwacyjnych, jakie kiedykolwiek podjęto. Naukowcy ogłosili pierwsze od ponad dziesięciu lat wykrycie wysokoenergetycznego rozbłysku promieniowania gamma z supermasywnej czarnej dziury M87. Dane obejmowały niemal jednoczesne obserwacje w najszerszym zakresie długości fal, jakie kiedykolwiek zarejestrowano dla tej galaktyki.
Przełomowa detekcja rozbłysków promieni gamma
„Mieliśmy szczęście, że odkryliśmy rozbłysk promieniowania gamma z M87 podczas kampanii obejmującej wiele długości fal Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. Oznacza to pierwsze rozbłysk promieniowania gamma zaobserwowane w tym źródle od ponad dziesięciu lat, co pozwala nam precyzyjnie określić rozmiar obszaru odpowiedzialnego za obserwowaną emisję promieniowania gamma” – wyjaśnił Giacomo Principe, jeden z koordynatorów artykułu, badacz na Uniwersytecie w Trieście, stowarzyszony z INAF i INFN. Artykuł ukazał się w Astronomia i astrofizyka 13 grudnia.
„Obserwacje – zarówno te niedawne za pomocą bardziej czułego układu EHT, jak i te planowane na nadchodzące lata – dostarczą bezcennych spostrzeżeń i niezwykłej okazji do zbadania fizyki otaczającej supermasywną czarną dziurę M87. Wysiłki te mają rzucić światło na połączenie strumienia dyskowego i odkryć pochodzenie i mechanizmy stojące za promieniowaniem gamma foton emisja.”
Relatywistyczne spostrzeżenia dotyczące odrzutowców
Badany przez naukowców relatywistyczny dżet jest zaskakujący pod względem zasięgu, osiągając rozmiary przekraczające horyzont zdarzeń czarnej dziury dziesiątki milionów razy (7 rzędów wielkości) – co odpowiada różnicy między wielkością bakterii a wielkością największego znanego błękitu wieloryb.
Energetyczny rozbłysk, który trwał około trzech dni i sugeruje obszar emisyjny o wielkości mniejszej niż trzy dni świetlne (~170 jednostek astronomicznych, gdzie 1 jednostka astronomiczna to odległość od Słońca do Ziemi), ujawnił jasny rozbłysk wysokoenergetycznego emisja – znacznie powyżej energii zwykle wykrywanych przez radioteleskopy z obszaru czarnej dziury.
Nieprzewidywalność rozbłysków czarnych dziur
„Aktywność tej supermasywnej czarnej dziury jest wysoce nieprzewidywalna – trudno przewidzieć, kiedy nastąpi rozbłysk. Kontrastujące dane uzyskane w 2017 i 2018 roku, reprezentujące odpowiednio fazę spoczynkową i aktywną, dostarczają kluczowych informacji na temat rozwikłania cyklu aktywności tej enigmatycznej czarnej dziury” – mówi Kazuhiro Hada z Nagoya City University, który prowadził obserwacje radiowe i analizę wielo- kampania na falach.
„Czas trwania rozbłysku odpowiada w przybliżeniu rozmiarowi obszaru emisji. Szybka zmienność promieni gamma wskazuje, że obszar rozbłysku jest niezwykle mały, zaledwie około dziesięciokrotnie większy od centralnej czarnej dziury. Co ciekawe, ostrej zmienności obserwowanej w promieniach gamma nie wykryto w przypadku innych długości fal. Sugeruje to, że obszar rozbłysku ma złożoną strukturę i wykazuje różne cechy w zależności od długości fali”. wyjaśnia Daniel Mazin z Instytutu Badań nad Promieniowaniem Kosmicznym na Uniwersytecie Tokijskim, członek zespołu teleskopu MAGIC, który wykrył rozbłysk promieniowania gamma.
Zaawansowane techniki w astronomii o wielu długościach fal
W ramach drugiej kampanii EHT i kampanii obejmującej wiele długości fal w 2018 r. wykorzystano ponad dwa tuziny renomowanych obiektów obserwacyjnych, w tym NASA’s Fermi-LAT, HST, NuSTARChandra i Swift, a także trzy największe na świecie teleskopy Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope (HESS, MAGIC i VERITAS). Obserwatoria te są wrażliwe odpowiednio na fotony promieniowania rentgenowskiego oraz wysokoenergetyczne promieniowanie gamma o bardzo wysokiej energii (VHE). Podczas kampanii instrument LAT na pokładzie obserwatorium kosmicznego Fermi wykrył wzrost strumienia wysokoenergetycznego promieniowania gamma o energii nawet miliardy razy większej niż światło widzialne. Chandra i NuSTAR zebrały następnie wysokiej jakości dane w paśmie rentgenowskim. Obserwacje radiowe wschodnioazjatyckiej sieci VLBI (EAVN) pokazują widoczną roczną zmianę kąta położenia dżetu w ciągu kilku mikrosekund łukowych od jądra galaktyki.
Odkrywanie mechanizmów odrzutowych poprzez obserwacje
„Łącząc informacje o zmianie kierunku strumienia, rozkładzie jasności pierścienia obserwowanym przez EHT i aktywności promieniowania gamma, możemy lepiej zrozumieć mechanizmy stojące za wytwarzaniem promieniowania o bardzo wysokiej energii” – mówi Motoki Kino na Uniwersytecie Kogakuin, koordynator obserwacji EAVN podczas kampanii.
Dane pokazują również znaczną zmienność kąta położenia asymetrii pierścienia (tzw. horyzontu zdarzeń czarnej dziury) i położenia dżetu, co sugeruje fizyczny związek pomiędzy tymi strukturami w bardzo różnych skalach. Badacz wyjaśnia: „Na pierwszym zdjęciu uzyskanym podczas kampanii obserwacyjnej w 2018 r. widać było, że emisja wzdłuż pierścienia nie była jednorodna, przez co ukazywały się asymetrie (tj. jaśniejsze obszary). Kolejne obserwacje przeprowadzone w 2018 roku i związane z tym artykułem potwierdziły dane, podkreślając, że zmienił się kąt położenia asymetrii.”
Modele porównawcze i przyszłe kierunki badań
Zespół porównał także zaobserwowane widma szerokopasmowe o różnych długościach fal z teoretycznymi modelami emisji. „Rozbłysk w 2018 roku wykazywał szczególnie silne pojaśnienie w promieniach gamma. Możliwe, że cząstki o ultrawysokiej energii uległy dodatkowemu przyspieszeniu w tym samym obszarze emisji obserwowanym w cichych stanach, lub że nowe przyspieszenie nastąpiło w innym obszarze emisji” – mówi Tomohisa Kawashima z Instytutu Badań Promienia Kosmicznego, która przeprowadziła symulację za pomocą superkomputera zainstalowanego w Narodowym Obserwatorium Astronomicznym w Japonii.
„Jak i gdzie cząstki są przyspieszane w dżetach supermasywnych czarnych dziur, pozostaje od dawna tajemnicą. Po raz pierwszy możemy połączyć bezpośrednie obrazowanie obszarów bliskiego horyzontu zdarzeń podczas rozbłysków promieniowania gamma powstałych w wyniku zdarzeń przyspieszania cząstek i przetestować teorie na temat pochodzenia rozbłysków” – mówi Sera Markoff, profesor na Uniwersytecie w Amsterdamie i współautorka książki badanie.
Odkrycie to toruje drogę do stymulowania przyszłych badań i potencjalnych przełomów w zrozumieniu wszechświata.
Więcej informacji na temat tego odkrycia można znaleźć w artykule Astronomowie uchwycili masywny rozbłysk promieniowania gamma z płonącej czarnej dziury M87.
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
