Cień czarnej dziury w M87 chybocze się

Naukowcy zaangażowani w projekt nazwany Teleskop Horyzontu Zdarzeń przeanalizowali więcej danych na temat cienia supermasywnej czarnej dziury w galaktyce M87 i odkryli, że jasny półkolisty pierścień widoczny wokół cienia zmienia swoją orientację. Pierwszym autorem publikacji jest polski astronom – dr Maciek Wielgus.

Gdy 10 kwietnia 2019 r. pokazano pierwsze w historii zdjęcie cienia czarnej dziury, była to ogólnoświatowa sensacja. Był to efekt obserwacji wykonywanych przez sieć radioteleskopów rozmieszczonych na całej kuli ziemskiej, znanej jako Teleskop Horyzontu Zdarzeń (ang. Event Horizon Telescope, w skrócie EHT). W badaniach uczestniczyli też Polacy.

Teraz mamy dalszy ciąg tych badań, również z polskim udziałem: dr Maciej Wielgus jest pierwszym autorem artykułu, który ukazał się w czasopiśmie „Astrophysical Journal”. Zaprezentowane dzisiaj wyniki pokazują, że jasny pierścień widoczny na obrazie zmienia swoje własności oraz potwierdzają, że istniał również w ostatnich kilku latach.

Wyniki ogłoszone w 2019 r. bazowały 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 pierścienia jest zgodny z danymi archiwalnymi? Czy starsze dane pokazują podobny rozmiar i orientację tego fragmentu? – wskazuje dr Maciek Wielgus z Black Hole Initiative na Harvard University oraz Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics w Stanach Zjednoczonych.

Średnica i kształt pierścienia wokół czarnej dziury M87*

Rysunek ukazuje zgodność zmierzonych średnic pierścienia oraz niepewność w pomiarach jego orientacji. Jedynie dane z 2017 r. mają wystarczającą jakość do otrzymania obrazu, natomiast dla wcześniejszych obserwacji dopasowano model pierścienia. Źródło: M. Wielgus oraz EHT Collaboration.

Zmienność jasnego pierścienia

Naukowcy „wzięli na warsztat” szerszy zakres archiwalnych danych z obserwacji prowadzonych w latach 2009-2013 (część z nich nie była dotąd publikowana). Niestety, obserwacje z tego okresu zawierają dużo mniej danych niż te z 2017 roku, nie jest więc możliwe odtworzenie obrazu. Skorzystano jednak z metod modelowania statystycznego, żeby sprawdzić, jak zmieniał się w czasie wygląd czarnej dziury znanej jako M87*. Porównywano dane z różnorodnymi geometrycznymi wzorcami – pierścieniami o niejednorodnej jasności, a następnie sieć statystyczna sprawdzała, na ile dany model jest zgodny z obserwacjami i wyszukiwała zestaw najlepiej pasujących parametrów.

Wyniki pokazały, że M87* spełnia założenia teoretyczne, czyli że średnica jej cienia zgadza się z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina dla czarnej dziury o masie 6,5 miliarda mas Słońca.

Druga rzecz, którą pokazała nowa analiza, jest niespodzianką. Okazuje się, że kształt jasnego pierścienia ulegał zmianom w ciągu tych kilku lat obserwacji. Badacze wskazują, że po raz pierwszy prześledziliśmy w ten sposób dynamiczną strukturę przepływu akrecyjnego tak blisko czarnej dziury. Gaz, który opada na czarną dziurę, rozgrzewa się do miliardów miliardów stopni Celsjusza. Ulega także jonizacji oraz staje się turbulentny, gdy występują pola magnetyczne. Widoczne tutaj zmiana orientacji jasnego półkola w pierścieniu to efekt właśnie tych turbulencji w przepływie materii.

Jak wskazuje dr Wielgus, widoczna zmienność jest całkiem spora, a nie wszystkie modele teoretyczne dotyczące akrecji pozwalają na takie „chybotanie”. Pozwala to więc wykluczyć niektóre z nich w oparciu o zaobserwowaną dynamikę źródła M87*. Dzięki temu będzie możliwe lepsze zrozumienie własności supermasywnej czarnej dziury w M87, a także innych czarnych dziur.

Teleskop Horyzontu Zdarzeń w latach 2009-2021

Radioteleskopy biorące udział w obserwacjach czarnej dziury M87* w ramach Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT). Pokazano skład sieci w latach 2009-2021. Źródło: M. Wielgus, D. oraz EHT Collaboration.

Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT)

Teleskop Horyzontu Zdarzeń to globalna sieć radioteleskopów, które prowadzą zsynchronizowane obserwacje z wykorzystaniem techniki interferometrii wielkobazowej (VLBI). Wspólnie tworzą wirtualny teleskop o rozmiarach całej Ziemi. Dzięki temu można uzyskać bardzo dużą rozdzielczość kątową.

EHT ma taką zdolność rozdzielczą, że moglibyśmy obserwować mecz w bilarda odbywający się na Księżycu – porównuje dr Wielgus.

W planach jest dalsza analiza danych poszerzonych jeszcze o obserwacje z 2018 r., w których brał udział dodatkowy teleskop na Grenlandii. Z kolei nowe obserwacje mają nastąpić w 2021 r. z użyciem dwóch dodatkowych obserwatoriów. Powinno to umożliwić uzyskanie lepszej jakości obrazu.

Wśród autorów publikacji pt. „Monitoring the Morphology of M87*in 2009–2017 with the Event Horizon Telescope" jest dwoje Polaków: dr Maciek Wielgus (Black Hole Initiative na Harvard University oraz Harvard & Smithsonian Center for Astrophysics w USA) oraz dr Monika Mościbrodzka (Radboud University w Nijmegen w Holandii).

Pierścień wokół supermasywnej czarnej dziury M87* (model wyglądu w latach 2009-2017)

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 oraz EHT Collaboration.

Więcej informacji: