Svart hål med jetstråle fångade för första gång i samma bild

I de flesta galaxers centrum finns ett supermassivt svart hål. Förutom att fånga in materia i sin närhet kan svarta hål också kasta ut materia, långt bort från den galax där de befinner sig. Att förstå hur denna process går till har länge varit en olöst fråga inom astronomin.

Ru-Sen Lu från Shanghais astronomiska observatorium i Kina har lett forskningen.

– Vi vet att jetstrålar kastas ut från området kring de svarta hålen. Men vi vet fortfarande inte hur detta sker. För att förstå vad som händer behöver vi studera hur jetstrålen bildas, så nära det svarta hålet som möjligt, säger han.

Den nya bilden som publiceras i dag visar just detta för första gången: hur början på jetstrålen är sammankopplad med det material som kretsar kring det supermassiva svarta hålet. Detta sker i galaxen Messier 87 (M87) som ligger relativt vår galax Vintergatan i rymden, på bara 55 miljoner ljusårs avstånd. Galaxen rymmer ett svart hål med en massa lika stor som 6,5 miljarder solar.

Tidigare observationer har visat både området nära det svarta hålet och jetstrålen, men detta är första gången man kan se båda objekten tillsammans.

– Denna nya bild ger en komplett bild genom att den visar området kring det svarta hålet och jetstrålen samtidigt, tillägger Jae-Young Kim vid Max Planckinstitutet för radioastronomi i Tyskland.

Bilden togs med hjälp av ett nätverk av radioteleskop runt om i världen. Inätverket ingår 20-meters teleskopet vid Onsala rymdobservatorium i Sverige. Genom att bilda ett virtuellt teleskop lika stort som jorden kunde nätverket urskilja mycket små detaljer i området runt M87:s svarta hål.

Jun Yang, Onsala rymdobservatorium och Chalmers, är en av tre Chalmers-astronomer i teamet bakom den nya bilden.

– Det svarta hålet i M87 var det första som någonsin avbildades av något teleskop. Nu har vi en ny bild av detta svarta hål och dess omgivning, tagen i ljus av en annan våglängd, med ett annat teleskopnätverk – i vilket vårt eget teleskop i Onsala också ingår. Det är oerhört spännande att vara en del av ett globalt projekt som bryter ny mark på det här sättet, säger han.

Bilden togs med radioteleskopen i GMVA-nätverket, samt ALMA och GLT. När alla kopplades samman kunde de bilda ett virtuellt teleskop lika stort som jorden. Ett sådant nätverk kan avslöja mycket små detaljer nära det svarta hålet i M87.

På den nya bilden ses strålen när den lämnar skuggan av det svarta hålet. När materia kretsar kring hålet värms det upp och sänder ut ljus. Det svarta hålet kröker och fångar in en del av detta ljus och bildar på så sätt en lysande ring kring hålet som kan ses från jorden. Det mörka området i ringens mitt är skuggan av det svarta hålet, som
första gången avbildades med Event Horizon Telescope 2017.

Både denna bild och den tidigare från EHT kombinerar data från flera radioteleskop, men den som släpps i dag visar strålning vid längre våglängder (3,5 mm) än de som observerades med EHT (1,3 mm).

– Vid denna våglängd kan vi se hur jetstrålen lämnar den lysande ringen kring det supermassiva svarta hålet, säger Thomas Krichbaum vid Max Planckinstitutet för radioastronomi.

Den ring som observerades med GMVA-nätverket är ungefär 50 procent större än den på bilden från EHT. Keiichi Asada vid Academica Sinica i Taiwan förklarar:

- För att förstå den fysikaliska orsaken till den större och tjockare ringen använde vi datormodeller för att testa olika scenarier. Simuleringarna indikerar att vi ser mer av det material som faller ner i det svarta hålet vid längre våglängder, säger han.

De nya observationerna av det svarta hålet i M 87 utfördes 2018 med GMVA, som består av 14 radioteleskop i Europa och Nordamerika. Två ytterligare anläggningar var kopplade till GMVA: Greenland Telescope och ALMA. Den senare består av 66 antenner i den chilenska Atacamaöknen och spelade en avgörande roll i observationerna.

Datan som insamlades med teleskopen kombinerades med en teknik som kallas
Interferometri, som synkroniserar signalerna som infångats vid varje anläggning. Men för att avbilda formen på det astronomiska objektet är det viktigt att teleskopen är utspridda över hela jorden. Teleskopen i GMVA är orienterade huvudsakligen i öst-västlig riktning, varför ALMA på södra hemisfären var nödvändig för att skapa bilden av jetstrålen och det svarta hålets skugga på ett korrekt sätt.

– Tack vare ALMA:s läge och känslighet kunde vi se det svarta hålets skugga och början av jetstrålen samtidigt, förklarar Lu.

Framtida observationer med detta teleskopnätverk kommer att avslöja mer om hur supermassiva svarta hål kan kasta ut energirika jetstrålar.

– Vi planerar att observera området runt det svarta hålet i centrum av M87 vid olika radiovåglängder för att studera emissionen från jetstrålen ytterligare, säger Eduardo Ros från Max Planckinstitutet för radioastronomi.

Samtidiga observationer av det slaget hade gjort det möjligt för forskarna av förstå de komplicerade processerna som sker nära det supermassiva svarta hålet.

– De kommande åren blir spännande eftersom vi kommer att lära oss mer om vad som händer nära ett av universums mest mystiska områden, avslutar Ros.

Mer om forskningen

Forskningsresultaten presenteras i artikeln “A ring-like accretion structure in M87 connecting its black hole and jet” (doi:10.1038/s41586-023-05843-w) som publiceras i tidskriften Nature.

I forskarteamet, som leds av Ru-Sen Lu (Shanghais astronomiska observatorium, Kina; Key Laboratory of Radio Astronomy, Kina [KLoRA] samt Max-Planck-Institut für Radioastronomie, Tyskland [MPIfR]) ingår även Michael Lindqvist, John Conway och Jun Yang, alla vid Onsala rymdobservatorium och Institutionen för rymd-, geo- och miljövetenskap vid Chalmers.

Kontakter

Robert Cumming, astronom och kommunikatör, Onsala rymdobservatorium robert.cumming@chalmers.se, 0704933114, 0317725500

John Conway, professor i radioastronomi, Chalmers, föreståndare, Onsala rymdobservatorium, john.conway@chalmers.se

Jun Yang, astronom, Onsala rymdobservatorium, jun.yang@chalmers.se

Bilder

För högupplösta bilder, se ESO:s pressmeddelande.

A Jetstrålen och (lilla bilden) skuggan av det svarta hålet i M 87 framträder i bilden som tagits med radioteleskopen i nätverket GMVA tillsammans med ALMA och GLT.
Bild: R. Lu & E. Ros (GMVA), S. Dagnello (NRAO/AUI/NSF)

B Illustration: I denna bild av rymdkonstären Sophia Dagnello ser vi en närbild av omgivningarna kring det supermassiva svarta hålet i mitten av galaxen M 87. Samtidigt som materia faller in mot det svarta hålet kastas annan materia ut i form av kraftfulla jetstrålar.
Bild: Sophia Dagnello, NRAO/AUI/NSF

C 20-metersteleskopet i Onsala. 
Foto: Chalmers/J.-O. Yxell