Potężny strumień M87 uwalnia rzadki rozbłysk gamma
Międzynarodowa współpraca EHT ujawniła nowe obserwacje rozbłysku gamma z potężnego strumienia emitowanego z centrum galaktyki M87 na wielu długościach fal.
 |
| Złożone obrazy M87 nałożone na wykres krzywej blasku rozbłysku gamma. Źródło: EHT Collaboration, Fermi-LAT Collaboration, H.E.S.S. Collaboration, MAGIC Collaboration, VERITAS Collaboration, EAVN Collaboration |
Znana również jako Panna A lub NGC 4486, M87 jest najjaśniejszym obiektem w Gromadzie Galaktyk w Pannie, największej grawitacyjnie związanej strukturze we Wszechświecie. Stała się sławna w kwietniu 2019 roku po tym, jak naukowcy Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT) opublikowali pierwszy obraz czarnej dziury w jej centrum. Badania, których wyniki opublikowano w czasopiśmie Astronomy and Astrophysics Journal były prowadzone przez grupę roboczą EHT na wielu długościach fal, przedstawiają dane z drugiej kampanii obserwacyjnej EHT przeprowadzonej w kwietniu 2018 roku, obejmującej ponad 25 teleskopów naziemnych i orbitalnych. Autorzy donoszą o pierwszej od ponad dekady obserwacji wysokoenergetycznego rozbłysku gamma pochodzącego z supermasywnej czarnej dziury M87, dokonanej w oparciu o niemal jednoczesne widma galaktyki obejmujące najszerszy zakres długości fal, jaki kiedykolwiek zebrano.
Mieliśmy szczęście wykryć rozbłysk gamma z M87 podczas kampanii EHT na wielu długościach fal. Jest to pierwszy rozbłysk gamma zaobserwowany w tym źródle od ponad dekady, co pozwoliło nam precyzyjnie określić rozmiar regionu odpowiedzialnego za obserwowaną emisję promieniowania gamma. Obserwacje – zarówno niedawne z bardziej czułą matrycą EHT, jak i te planowane na nadchodzące lata – dostarczą bezcennych informacji i niezwykłej okazji do zbadania fizyki otaczającej supermasywną czarną dziurę M87. Wysiłki te obiecują rzucić światło na połączenie dysku i strumienia oraz odkryć pochodzenie i mechanizmy stojące za emisją fotonów gamma – powiedział Giacomo Principe, jeden z koordynatorów pracy, badacz z Uniwersytetu w Trieście. Artykuł został zaakceptowany do publikacji w Astronomy & Astrophysics.
Relatywistyczny strumień badany przez naukowców jest zaskakujący w swoim zasięgu, osiągając rozmiary przekraczające horyzont zdarzeń czarnej dziury o dziesiątki milionów razy – podobnie jak różnica między rozmiarem bakterii a największym znanym płetwalem błękitnym.
Energetyczny rozbłysk, który trwał około trzech dni i sugeruje obszar emisji o rozmiarze mniejszym niż trzy dni świetlne (~ 170 jednostek astronomicznych), ujawnił jasny wybuch wysokoenergetycznej emisji – znacznie powyżej energii zwykle wykrywanych przez radioteleskopy z regionu czarnej dziury.
Aktywność tej supermasywnej czarnej dziury jest wysoce nieprzewidywalna – trudno jest przewidzieć, kiedy nastąpi rozbłysk. Kontrastujące ze sobą dane uzyskane w 2017 i 2018 roku, reprezentujące odpowiednio fazę spoczynku i aktywną, dostarczają kluczowego wglądu w rozwikłanie cyklu aktywności tej enigmatycznej czarnej dziury – powiedział Kazuhiro Hada z Nagoya City University, który kierował obserwacjami radiowymi i analizą kampanii obejmującej wiele długości fal.
Czas trwania rozbłysku z grubsza odpowiada rozmiarowi obszaru emisji. Gwałtowna zmienność w promieniach gamma wykazuje, że obszar rozbłysku jest niezwykle mały, zaledwie około dziesięciokrotnie większy od centralnej czarnej dziury. Co ciekawe, gwałtowna zmienność obserwowana w promieniach gamma nie została wykryta w innych długościach fal. Sugeruje to, że obszar rozbłysku ma złożoną strukturę i wykazuje różne cechy w zależności od długości fali - wyjaśnił Daniel Mazin z Instytutu Badań Promieni Kosmicznych Uniwersytetu Tokijskiego, członek zespołu teleskopu MAGIC, który wykrył rozbłysk w promieniach gamma.
Druga kampania EHT i wielofalowa w 2018 roku wykorzystały ponad dwa tuziny wysokiej klasy urządzeń obserwacyjnych, w tym należące do NASA teleskopy Fermi-LAT, HST, NuSTAR, Chandra i Swift, wraz z trzema największymi na świecie matrycami: H.E.S.S., MAGIC i VERITAS. Obserwatoria te są czułe odpowiednio na fotony rentgenowskie oraz wysokoenergetyczne promieniowanie gamma o bardzo wysokiej energii (VHE). Podczas kampanii instrument LAT na pokładzie obserwatorium kosmicznego Fermi wykrył wzrost strumienia wysokoenergetycznego promieniowania gamma o energiach do miliardów razy większych niż światło widzialne. Następnie Chandra i NuSTAR zebrały wysokiej jakości dane w paśmie rentgenowskim. Obserwacje radiowe East Asian VLBI Network (EAVN) wykazały pozorną roczną zmianę kąta położenia strumienia w odległości kilku mikrosekund łuku od jądra galaktyki.
Łącząc informacje o zmianie kierunku strumienia, rozkładzie jasności pierścienia obserwowanego przez EHT i aktywności promieniowania gamma, możemy lepiej zrozumieć mechanizmy stojące za produkcją promieniowania o bardzo wysokiej energii – powiedział Motoki Kino z Uniwersytetu Kogakuin, koordynator obserwacji EAVN podczas kampanii.
Dane wykazują również znaczną zmienność kąta położenia asymetrii pierścienia (tzw. horyzontu zdarzeń czarnej dziury) i położenia strumienia, co sugeruje fizyczną zależność między tymi strukturami w bardzo różnych skalach. Badacz wyjaśnił: Na pierwszym obrazie uzyskanym podczas kampanii obserwacyjnej w 2018 roku widać było, że emisja wzdłuż pierścienia nie była jednorodna, prezentując tym samym asymetrie (tj. jaśniejsze obszary). Kolejne obserwacje przeprowadzone w 2018 roku i związane z tym artykułem potwierdziły dane, podkreślając, że kąt położenia asymetrii uległ zmianie.
Zespół porównał także zaobserwowane szerokopasmowe widma o wielu długościach fali z teoretycznymi modelami emisji. Rozbłysk z 2018 roku wykazywał szczególnie silne rozjaśnienie w promieniach gamma. Możliwe, że cząstki o ultra wysokiej energii uległy dodatkowemu przyspieszeniu w tym samym obszarze emisji, który obserwowano w stanach ciszy, lub że nowe przyspieszenie nastąpiło w innym obszarze emisji – powiedział Tomohisa Kawashima z Instytutu Badań Promieni Kosmicznych Uniwersytetu Tokijskiego, który przeprowadził symulację przy użyciu superkomputera zainstalowanego w NRAO.
To jak i gdzie cząstki są przyspieszane w strumieniach supermasywnych czarnych dziur, jest od dawna zagadką. Po raz pierwszy możemy połączyć bezpośrednie obrazowanie obszarów bliskiego horyzontu zdarzeń podczas rozbłysków gamma z wydarzeń przyspieszania cząstek i przetestować teorie dotyczące pochodzenia rozbłysków – powiedziała Sera Markoff, profesor na Uniwersytecie Amsterdamskim i współautorka artykułu.
Odkrycie to toruje drogę do stymulowania przyszłych badań i potencjalnych przełomów w zrozumieniu Wszechświata.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
