Teleskoper forenes i hidtil usete observationer af berømte sorte hul

I april 2019, videnskabsmænd frigav det første billede af et sort hul i galaksen M87 ved hjælp af Event Horizon Telescope (EHT). Imidlertid, den bemærkelsesværdige præstation var kun begyndelsen på den videnskabelige historie, der skulle fortælles.

Data fra 19 observatorier frigivet i dag lover at give uovertruffen indsigt i dette sorte hul og det system, det driver, og at forbedre test af Einsteins generelle relativitetsteori.

"Vi vidste, at det første direkte billede af et sort hul ville være banebrydende, " siger Kazuhiro Hada fra National Astronomical Observatory of Japan, en medforfatter til en ny undersøgelse offentliggjort i The Astrophysical Journal Letters der beskriver det store datasæt. "Men for at få mest muligt ud af dette bemærkelsesværdige billede, vi skal vide alt, hvad vi kan om det sorte huls adfærd på det tidspunkt ved at observere over hele det elektromagnetiske spektrum."

Den enorme tyngdekraft fra et supermassivt sort hul kan drive jetfly af partikler, der rejser med næsten lysets hastighed over store afstande. M87's jetfly producerer lys, der spænder over hele det elektromagnetiske spektrum, fra radiobølger til synligt lys til gammastråler. Dette mønster er forskelligt for hvert sort hul. At identificere dette mønster giver afgørende indsigt i et sort huls egenskaber – f.eks. dets spin og energioutput - men er en udfordring, fordi mønsteret ændrer sig med tiden.

Forskere kompenserede for denne variation ved at koordinere observationer med mange af verdens mest kraftfulde teleskoper på jorden og i rummet, opsamler lys fra hele spektret. Disse 2017-observationer var den største samtidige observationskampagne, der nogensinde er gennemført på et supermassivt sort hul med jetfly.

Tre observatorier forvaltet af Center for Astrofysik | Harvard &Smithsonian deltog i den skelsættende kampagne:Submillimeter Array (SMA) i Hilo, Hawaii; det rumbaserede Chandra X-ray Observatory; og Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) i det sydlige Arizona.

Begyndende med EHT's nu ikoniske billede af M87, en ny video tager seerne med på en rejse gennem dataene fra hvert teleskop. Hver på hinanden følgende ramme viser data på tværs af mange faktorer på ti i skala, både af bølgelængder af lys og fysisk størrelse.

Sekvensen begynder med april 2019-billedet af det sorte hul. Den bevæger sig derefter gennem billeder fra andre radioteleskoparrays fra hele kloden (SMA), bevæger sig udad i synsfeltet under hvert trin. Næste, visningen ændres til teleskoper, der registrerer synligt lys, ultraviolet lys, og røntgenstråler (Chandra). Skærmen opdeles for at vise, hvordan disse billeder, som dækker den samme mængde af himlen på samme tid, sammenligne med hinanden. Sekvensen afsluttes med at vise, hvilke gamma-stråleteleskoper på jorden (VERITAS), og Fermi i rummet, opdage fra dette sorte hul og dets stråle.

Hvert teleskop leverer forskellige oplysninger om adfærden og virkningen af ​​det sorte hul på 6,5 milliarder solmasse i midten af ​​M87, som ligger omkring 55 millioner lysår fra Jorden.

"Der er flere grupper, der er ivrige efter at se, om deres modeller passer til disse rige observationer, og vi er glade for at se hele samfundet bruge dette offentlige datasæt til at hjælpe os med bedre at forstå de dybe forbindelser mellem sorte huller og deres jetfly, " siger medforfatter Daryl Haggard fra McGill University i Montreal, Canada.

Dataene blev indsamlet af et hold på 760 videnskabsmænd og ingeniører fra næsten 200 institutioner, spænder over 32 lande eller regioner, og ved at bruge observatorier finansieret af agenturer og institutioner over hele kloden. Observationerne var koncentreret fra slutningen af ​​marts til midten af ​​april 2017.

"Dette utrolige sæt observationer omfatter mange af verdens bedste teleskoper, " siger medforfatter Juan Carlos Algaba fra University of Malaya i Kuala Lumpur, Malaysia. "Dette er et vidunderligt eksempel på astronomer over hele verden, der arbejder sammen i jagten på videnskab."

De første resultater viser, at intensiteten af ​​lyset produceret af materiale omkring M87's supermassive sorte hul var den laveste, der nogensinde var blevet observeret. Dette gav ideelle betingelser for at se 'skyggen' af det sorte hul, samt at være i stand til at isolere lyset fra områder tæt på begivenhedshorisonten fra de titusindvis af lysår væk fra det sorte hul.

Kombinationen af ​​data fra disse teleskoper, og nuværende (og fremtidige) EHT-observationer, vil give videnskabsfolk mulighed for at udføre vigtige undersøgelseslinjer i nogle af astrofysikkens mest betydningsfulde og udfordrende fagområder. For eksempel, videnskabsmænd planlægger at bruge disse data til at forbedre test af Einsteins generelle relativitetsteori. I øjeblikket, usikkerhed om materialet, der roterer rundt om det sorte hul og sprænges væk i jetfly, især de egenskaber, der bestemmer det udsendte lys, udgør en stor forhindring for disse generelle relativitetstest.

Et relateret spørgsmål, der behandles af dagens undersøgelse, vedrører oprindelsen af ​​energiske partikler kaldet "kosmiske stråler, " som konstant bombarderer Jorden fra det ydre rum. Deres energier kan være en million gange højere end hvad der kan produceres i den kraftigste accelerator på Jorden, den store Hadron Collider. De enorme jetfly affyret fra sorte huller, som dem, der er vist på dagens billeder, menes at være den mest sandsynlige kilde til kosmiske stråler med højeste energi, men der er mange spørgsmål om detaljerne, herunder de præcise steder, hvor partiklerne bliver accelereret. Fordi kosmiske stråler producerer lys via deres kollisioner, gammastrålerne med højeste energi kan lokalisere denne placering, og den nye undersøgelse indikerer, at disse gammastråler sandsynligvis ikke produceres i nærheden af ​​begivenhedshorisonten – i hvert fald ikke i 2017. En nøgle til at afgøre denne debat vil være sammenligning med observationerne fra 2018, og de nye data, der indsamles i denne uge.

"Forståelse af partikelaccelerationen er virkelig central for vores forståelse af både EHT-billedet såvel som strålerne, i alle deres 'farver', " siger medforfatter Sera Markoff fra University of Amsterdam. "Disse jetfly formår at transportere energi frigivet af det sorte hul ud til skalaer større end værtsgalaksen, som en kæmpe strømledning. Vores resultater vil hjælpe os med at beregne mængden af ​​transporteret strøm, og den effekt, det sorte huls jetfly har på dets miljø."

Frigivelsen af ​​denne nye skattekiste af data falder sammen med EHT's 2021 observation run, som udnytter et verdensomspændende udvalg af radioretter, den første siden 2018. Sidste års kampagne blev aflyst på grund af COVID-19-pandemien, og det foregående år blev suspenderet på grund af uforudsete tekniske problemer. Denne uge, i seks nætter, EHT-astronomer sigter mod adskillige supermassive sorte huller:det i M87 igen, den i vores galakse kaldet Sagittarius A*, og flere mere fjerne sorte huller. Sammenlignet med 2017, arrayet er blevet forbedret ved at tilføje yderligere tre radioteleskoper:Greenland Telescope, Kitt Peak 12-meter teleskopet i Arizona, og NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) i Frankrig.

"Med frigivelsen af ​​disse data, kombineret med genoptagelse af observation og en forbedret EHT, vi ved, at mange spændende nye resultater er i horisonten, " siger medforfatter Mislav Balokovic fra Yale University.

"Jeg er virkelig spændt på at se disse resultater komme ud, sammen med mine kolleger, der arbejder på SMA, nogle af dem var direkte involveret i at indsamle nogle af dataene til denne spektakulære udsigt til M87, " siger medforfatter Garrett Keating, en Submillimeter Array-projektforsker. "Og med resultaterne af Sagittarius A* - det massive sorte hul i midten af ​​Mælkevejen - der snart kommer ud, og genoptagelsen af ​​observation i år, vi ser frem til endnu flere fantastiske resultater med EHT i de kommende år."