Naukowcy przeczytali pierwsze zdjęcie czarnej dziury. M87* zdradza sekrety plazmy

W 2019 roku świat zobaczył pierwszy obraz czarnej dziury — świecący pierścień w sercu galaktyki M87. Siedem lat później ten sam obiekt, oznaczany jako M87*, ponownie trafia na pierwsze strony: chiński zespół z Szanghajskiego Obserwatorium Astronomicznego (SHAO) wykorzystał obserwacje na dwóch częstotliwościach, by po raz pierwszy zmapować, jak zmienia się fizyka plazmy wokół horyzontu zdarzeń. To krok od patrzenia na czarną dziurę do jej czytania.

*Czarna dziura w centrum galaktyki eliptycznej M87. Źródło: Event Horizon Telescope Collaboration*

Od obrazu do widma

Pierwszy obraz M87* powstało dzięki Teleskopowi Horyzontu Zdarzeń (EHT) — globalnej sieci radioteleskopów działających jak jeden instrument o rozmiarach Ziemi. Problem w tym, że pojedyncza obserwacja przy jednej częstotliwości pokazuje właściwie tylko to, jak dany obiekt wygląda. Żeby zrozumieć, co dzieje się fizycznie z materią wpadającą w otoczenie czarnej dziury, potrzeba porównania obrazów zarejestrowanych na różnych długościach fal.

Właśnie to zrobił zespół kierowany przez dr Shan-Shan Zhao i dr. Ru-Sena Lu z SHAO, we współpracy z naukowcami z Chińskiej Akademii Nauk, Uniwersytetu w Tsukubie, włoskiego INAF, hiszpańskiego Instytutu Astrofizyki Andaluzji (IAA-CSIC) oraz Instytutu Radioastronomii Maxa Plancka. Badacze sięgnęli po archiwalne dane z 2018 roku, zebrane jednocześnie przez EHT (fala 1,3 mm) oraz Globalną Sieć Milimetrową VLBI, GMVA (fala 3,5 mm). Zestawienie obu obrazów pozwoliło po raz pierwszy wyznaczyć tzw. wskaźnik widmowy — miarę tego, jak intensywność promieniowania zmienia się w zależności od częstotliwości — osobno dla różnych odległości od czarnej dziury.

Co pokazała mapa

Wyniki, opublikowane w The Astrophysical Journal Letters, ujawniają wyraźny podział. W najbliższym sąsiedztwie czarnej dziury wskaźnik widmowy jest dodatni i lekko rośnie wraz z promieniem — to sygnatura tzw. samoabsorpcji synchrotronowej, zjawiska, w którym rozpędzone niemal do prędkości światła elektrony pochłaniają fotony, które same wcześniej wyemitowały. Im dalej od centrum, tym wskaźnik maleje i w pewnym momencie zmienia znak na ujemny — promieniowanie zaczyna swobodnie uciekać w przestrzeń, nieabsorbowane przez otaczającą plazmę.

Ta zmiana zachodzi w odległości około 30 mikrosekund kątowych od czarnej dziury — dokładnie tam, gdzie na obrazach z fali 3,5 mm widoczny jest charakterystyczny pierścień. Innymi słowy: jasny pierścień, który świat zobaczył w 2019 roku, to nie tylko efekt geometrii obrazu, lecz odbicie realnej zmiany stanu fizycznego plazmy w pobliżu horyzontu zdarzeń.

— Uzyskując pierwszy przestrzenny rozkład wskaźnika widmowego czarnej dziury M87, możemy ilościowo opisać, jak zmieniają się właściwości promieniowania w otoczeniu obiektu — wyjaśnia dr Zhao, pierwsza autorka pracy. — To pozwala bezpośrednio badać, jak zmieniają się właściwości plazmy w skali horyzontu, i daje nowe wskazówki dotyczące akrecji oraz formowania dżetów.

Dlaczego to ważne

M87* to nie tylko pierwsza czarna dziura, jaką sfotografowano — to również obiekt o masie 6,5 miliarda mas Słońca, leżący w odległości około 53,5 miliona lat świetlnych, w galaktyce eliptycznej w gwiazdozbiorze Panny. Wokół takich supermasywnych czarnych dziur formują się potężne dżety plazmy wystrzeliwane niemal z prędkością światła — a zrozumienie mechanizmu ich powstawania to jedno z kluczowych pytań współczesnej astrofizyki.

Dotychczasowe obrazy EHT dawały głównie informację o kształcie i geometrii. Dwuczęstotliwościowa analiza otwiera nowy sposób diagnozowania fizyki: pozwala oddzielić czysto grawitacyjne efekty (kształt pierścienia wyznaczony przez zakrzywioną czasoprzestrzeń) od efektów związanych z plazmą (temperatura, gęstość, procesy emisji). To rozróżnienie ma znaczenie także dla przyszłych testów ogólnej teorii względności w ekstremalnych warunkach.

— Wieloczęstotliwościowe obrazowanie w skali horyzontu stanie się potężnym narzędziem do diagnozowania warunków fizycznych plazmy w pobliżu czarnych dziur — mówi dr Lu, autor korespondencyjny badania. — Wraz z rozwojem możliwości obserwacyjnych pozwoli to oddzielić efekty fizyki plazmy od sygnatur grawitacyjnych na obrazach czarnych dziur, umożliwiając dokładniejsze badania akrecji, formowania dżetów i silnej grawitacji.

Zespół zapowiada, że kolejne kroki będą obejmować obserwacje przy jeszcze większej liczbie częstotliwości, z wyższą czułością i możliwością śledzenia zmian w czasie — co powinno przybliżyć astronomów do zrozumienia, jak dokładnie czarne dziury karmią się materią i napędzają jedne z najpotężniejszych zjawisk we Wszechświecie.