Supermasywna czarna dziura ukryta w pierścieniu kosmicznego pyłu

Interferometr Bardzo Dużego Teleskopu (VLTI), należący do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), zaobserwował obłok kosmicznego pyłu w centrum galaktyki Messier 77, w którym skrywa się supermasywna czarna dziura. Otrzymane rezultaty potwierdziły przewidywania sprzed około 30 lat i dają astronomom nowy wgląd w „aktywne jądra galaktyk”, jedne z najjaśniejszych i najbardziej tajemniczych obiektów we Wszechświecie.

Aktywne jądra galaktyk (AGN-y) to niezwykle energetyczne źródła, zasilane przez supermasywne czarne dziury, odkrywane w centrach niektórych galaktyk. Czarne dziury „posilają się” wielkimi objętościami kosmicznego pyłu gazu. Zanim materia zostanie wchłonięta, porusza się po spiralach w stronę czarnej dziury, a w procesie tym uwalniane są gigantyczne ilości energii, często przewyższające promieniowanie wszystkich gwiazd w galaktyce.

AGN-y ciekawiły astronomów od chwili, gdy po raz pierwszy dostrzeżono te jasne obiekty w latach 50. Teraz dzięki VLTI zespół naukowców, którym kierowała Violeta Gámez Rosas z Leiden University (Holandia), wykonał kluczowy krok w stronę zrozumienia, jak działają i jak wyglądają z bliska. Uzyskane wyniki opublikowano dzisiaj w Nature.

Dzięki wykonaniu nadzwyczajnie szczegółowych obserwacji centrum galaktyki Messier 77, znanej także jako NGC 1068, Gámez Rosas i jej zespół wykryli gruby pierścień kosmicznego pyłu i gazu skrywający supermasywną czarną dziurę. Odkrycie daje ważny dowód wspierający 30-letnią teorię znaną jako zunifikowany model AGN-ów.

Astronomowie wiedzą, że istnieją różne typy AGN-ów. Na przykład niektóre z nich uwalniają wybuchy fal radiowych, a inne tego nie robią; pewne AGN-y świecą jasno w zakresie widzialnym, a inne, jak Messier 77, są bardziej przytłumione. Zunifikowany model wskazuje, że niezależnie od różnic, wszystkie AGN-y mają taką samą podstawową strukturę: supermasywną czarną dziurę otoczoną przez pierścień pyłu.

Według modeli, jakiekolwiek różnice w wyglądzie pomiędzy AGN-ami wynikają z orientacji, w jakiej z Ziemi oglądamy czarną dziurę i jej gruby pierścień. Typ AGN-u, który widzimy, zależy od tego, jak bardzo pierścień przesłania czarną dziurę – z naszego punktu widzenia. W niektórych przypadkach może ją całkowicie ukryć.

Astronomowie znaleźli już wcześniej dowody na poparcie zunifikowanego modelu, m.in. dostrzeżenie ciepłego pyłu w centrum Messier 77. Jednak pozostały wątpliwości czy pył może całkowicie ukryć czarną dziurę, co by wyjaśniło dlaczego ten AGN świeci słabiej w zakresie widzialnym niż inne.

Prawdziwa natura obłoków pyłu i ich rola zarówno w zasilaniu czarnej dziury, jak i determinowaniu wyglądu, gdy patrzymy z Ziemi, stanowią główne pytania w badaniach AGN-ów od trzech dziesięcioleci. Chociaż żaden pojedynczy wynik nie odpowie na wszystkie nasze pytania, dokonaliśmy dużego kroku w zrozumieniu, jak działają aktywne jądra galaktyk. wyjaśnia Gámez Rosas.

Obserwacje były możliwe dzięki instrumentowi Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment (MATISSE) zamontowanemu na teleskopie VLTI, pracującym na chilijskiej pustyni Atakama. MATISSE łączy światło podczerwone zbierane przez cztery 8,2-metrowe teleskopy VLT, używając techniki zwanej interferometrią. Zespół badawczy używał MATISSE do skanowania centrum galaktyki Messier 77, położonej 47 milionów lat świetlnych od nas w kierunku gwiazdozbioru Wieloryba.

MATISSE może widzieć szeroki zakres fal podczerwonych, co pozwala nam spojrzeć przez pył i dokładnie zmierzyć temperaturę. Ponieważ VLTI to tak naprawdę bardzo duży interferometr, uzyskujemy rozdzielczość odpowiednią do zobaczenia co dzieje się nawet w galaktyka tak odległych jak Messier 77. Uzyskane obrazy szczegółowo pokazują zmiany temperatury i absorpcji w obłokach pyłu wokół czarnej dziury.mówi współautor Walter Jaffe, profesor Uniwersytetu w Lejdzie.

Łącząc zmiany temperatury pyłu (od około temperatury pokojowej do około 1200 °C), spowodowane intensywnym promieniowaniem od czarnej dziury, z mapami absorpcji, badacze stworzyli dokładny obraz pyłu i wskazali, gdzie musi znajdować się czarna dziura. Pył – w grubym pierścieniu wewnętrznym oraz w bardziej rozciągniętym dysku – z czarną dziurą usytuowaną w centrum, są wsparciem dla zunifikowanego modelu ANG-ów. Do skonstruowania obrazu naukowcy wykorzystali także dane z Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), której współwaścicielem jest ESO, oraz z National Radio Astronomy Observatory’s Very Long Baseline Array, należącej do National Radio Astronomy Observatory.

„Nasze wyniki powinny doprowadzić do lepszego zrozumienia wewnętrznego działania AGN-ów. Mogą także pomów w lepszym zrozumieniu historii Drogi Mlecznej, która zawiera supermasywną czarną dziurę w swoim centrum – obiekt ten mógł być aktywny w przeszłości.podsumowuje Gámez Rosas.

Naukowcy planują teraz użycie VLTI do znalezienia kolejnych dowodów na rzecz zunifikowanego modelu ANG-ów, rozważają zbadanie większej próbki galaktyk.

Członek zespołu Bruno Lopez, kierownik naukowy instrument MATISSE, z Observatoire de la Côte d’Azur w Nicei (Francja), mówi: „Messier 77 jest ważnym prototypem AGN-ów i cudowną motywacją do poszerzenia programu obserwacyjnego i zoptymalizowania MATISSE do zajęcia się szersza próbką tych obiektów.”

Ekstremalnie Wielki Teleskop (ELT), którego początek obserwacji ESO planuje na dalszą część obecnego dziesięciolecia, również pomoże w tych poszukiwaniach, dostarczając wyników, które uzupełnią omówione tutaj rezultaty i pozwolą naukowcom na eksplorację interakcji pomiędzy AGN-ami, a galaktykami.

informacja: ESO