VLA laver det første direkte billede af nøglefunktionerne i kraftfulde radiogalakser

Astronomer brugte National Science Foundations Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) til at lave det første direkte billede af en støvet, doughnut-formet træk, der omgiver det supermassive sorte hul i kernen af ​​en af ​​de mest kraftfulde radiogalakser i universet - et træk, som først blev postuleret af teoretikere for næsten fire årtier siden som en væsentlig del af sådanne objekter.

Forskerne studerede Cygnus A, en galakse omkring 760 millioner lysår fra Jorden. Galaksen rummer et sort hul, der er 2,5 milliarder gange mere massivt end Solen i sin kerne. Mens det sorte huls kraftige tyngdekraft trækker ind i omgivende materiale, den driver også superhurtige stråler af materiale, der bevæger sig udad med næsten lysets hastighed, producerer spektakulære "lober" af lys radio-emission.

Sorte hul-drevne "centrale motorer", der producerer lys emission ved forskellige bølgelængder, og jetfly, der strækker sig langt ud over galaksen, er fælles for mange galakser, men viser forskellige egenskaber, når de observeres. Disse forskelle førte til en række navne, såsom kvasarer, blazarer, eller Seyfert galakser. For at forklare forskellene, teoretikere konstruerede en "forenet model" med et fælles sæt af funktioner, der ville vise forskellige egenskaber afhængigt af den vinkel, hvorfra de ses.

Den forenede model inkluderer det centrale sorte hul, en roterende skive af indfaldende materiale, der omgiver det sorte hul, og strålerne, der suser udad fra skivens poler. Ud over, at forklare, hvorfor den samme type objekt ser anderledes ud, når den ses fra forskellige vinkler, en tyk, støvet, doughnut-formet "torus" er inkluderet, omkring de indre dele. Torussen skjuler nogle træk, når den ses fra siden, fører til åbenlyse forskelle for iagttageren, selv for iboende lignende objekter. Astronomer kalder generisk dette fælles sæt af træk for en aktiv galaktisk kerne (AGN).

"Torus er en væsentlig del af AGN-fænomenet, og der findes beviser for sådanne strukturer i nærliggende AGN med lavere lysstyrke, men vi har aldrig før direkte set en i sådan en strålende radiogalakse, " sagde Chris Carilli, fra National Radio Astronomy Observatory (NRAO). "Torus hjælper med at forklare, hvorfor objekter kendt under forskellige navne faktisk er de samme ting, bare set fra et andet perspektiv, " han tilføjede.

I 1950'erne, astronomer opdagede objekter, der udsender kraftigt radiobølger, men virkede punktlignende, ligner fjerne stjerner, når den senere blev observeret med teleskoper med synligt lys. I 1963, Maarten Schmidt fra Caltech opdagede, at et af disse objekter var ekstremt fjernt, og flere sådanne opdagelser fulgte hurtigt. For at forklare, hvordan disse objekter, kaldet kvasarer, kunne være så lyst, teoretikere foreslog, at de måtte udnytte den enorme gravitationsenergi fra supermassive sorte huller. Kombinationen af ​​sort hul, den roterende skive, kaldet en accretion disk, og jetflyene blev betegnet som den "centrale motor", der var ansvarlig for genstandenes produktive udgydelser af energi.

Den samme type central motor syntes også at forklare output fra andre typer objekter, inklusive radiogalakser, blazarer, og Seyfert Galaxies. Imidlertid, hver viste et andet sæt egenskaber. Teoretikere arbejdede på at udvikle et "foreningsskema" for at forklare, hvordan det samme kunne se anderledes ud. I 1977, tilsløring af støv blev foreslået som et element i denne ordning. I en avis fra 1982, Robert Antonucci, fra University of California, Santa Barbara, præsenteret en tegning af en uigennemsigtig torus - en doughnut-formet genstand - der omgiver den centrale motor. Fra det tidspunkt, en slørende torus har været et fælles træk ved astronomers samlede syn på alle typer aktive galaktiske kerner.

"Cygnus A er det nærmeste eksempel på en kraftig radioudsendende galakse - 10 gange tættere på end nogen anden med sammenlignelig lys radioemission. Den nærhed gjorde det muligt for os at finde torusen i et højopløseligt VLA-billede af galaksens kerne, " sagde Rick Perley, også af NRAO. "At udføre mere arbejde af denne type på svagere og fjernere objekter vil næsten helt sikkert have behov for den forbedring af størrelsesordenen i følsomhed og opløsning, som den foreslåede Next Generation Very Large Array (ngVLA) ville bringe, " han tilføjede.

VLA-observationerne afslørede direkte gassen i Cygnus A's torus, som har en radius på næsten 900 lysår. Langvarige modeller for torus antyder, at støvet er i skyer indlejret i den noget klumpet gas.

"Det er virkelig fantastisk endelig at se direkte beviser på noget, som vi længe har antaget skulle være der, " sagde Carilli. "For mere præcist at bestemme formen og sammensætningen af ​​denne torus, vi er nødt til at observere yderligere. For eksempel, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) kan observere ved de bølgelængder, der direkte vil afsløre støvet, " han tilføjede.

Carilli og Perley, med deres kolleger Vivek Dhawan, også fra NRAO, og Daniel Perley fra Liverpool John Moores University i Storbritannien, opdagede torusen, da de fulgte op på deres overraskende opdagelse i 2016 af en ny, lyse objekt nær centrum af Cygnus A. Det nye objekt, de sagde, er højst sandsynligt et andet supermassivt sort hul, der først for nylig stødte på nyt materiale, det kunne fortære, får det til at producere lys emission på samme måde som det centrale sorte hul gør. Eksistensen af ​​det andet sorte hul, de sagde, tyder på, at Cygnus A fusionerede med en anden galakse i den astronomisk nyere fortid.

Cygnus A, sådan navngivet, fordi det er det mest kraftfulde radioudsendende objekt i stjernebilledet Cygnus, blev opdaget i 1946 af den engelske fysiker og radioastronom J.S. Hej. Det blev matchet med et synligt lys, kæmpe galakse af Walter Baade og Rudolf Minkowski i 1951. Den blev et tidligt mål for VLA kort efter dens færdiggørelse i begyndelsen af ​​1980'erne. Detailed VLA images of Cygnus A published in 1984 produced major advances in astronomers' understanding of such galaxies.

The scientists are reporting their findings in the Astrofysiske tidsskriftsbreve .