Tähtitieteilijät ovat kuvanneet M87:n mustan aukon reuna-alueiden magneettikenttiä

eso2105fi — Tutkimustiedote – Pasi Nurmi

Näemme nyt toisen merkittävän todisteen siitä, miten magneettikentät käyttäytyvät mustien aukkojen ympärillä ja miten aktiivisuus tällä erittäin kompaktilla avaruuden alueella pystyy synnyttämään kauas galaksin ulkopuolelle ulottuvia voimakkaita suihkuja”, EHT-polarimetria työryhmän koordinaattori Monika Mościbrodzka, joka toimii apulaisprofessorina Radboudin yliopistossa Alankomaissa, sanoi.

Event Horizon Telescope (EHT)-yhteistyöverkosto, joka otti ensimmäisen mustan aukon kuvan, on tänään kertonut saaneensa aivan uuden näkymän tähän Messier 87 (M87) -galaksin keskipisteessä sijaitsevaan massiiviseen kohteeseen. He ovat pystyneet näkemään miltä kohde näyttää polarisoituneessa valossa. Tämä on ensimmäinen kerta, kun tähtitieteilijät ovat pystyneet mittaamaan tätä magneettikenttien sormenjälkeä, eli polarisaatiota, näin läheltä mustan aukon reunaa. Havainnot auttavat tutkijoita ymmärtämään, miten 55 miljoonan valovuoden päässä sijaitseva M87-galaksi muodostaa ytimestään lähtevät valtavat hyvin voimakkaat suihkut.

Tutkijat julkaisivat kaikkien aikojen ensimmäisen kuvan mustasta aukosta 10. huhtikuuta 2019. Kuva paljasti kirkkaan rengasmaisen rakenteen, jossa on tumma keskialue, jota kutsutaan mustan aukon varjoksi. Sen jälkeen EHT-yhteistyöverkosto on jatkanut vuonna 2017 kerätyn M87-galaksin ytimessä olevasta supermassiivisesta kohteesta kerätyn datan analysointia. He ovat havainneet, että merkittävä osa M87:n mustan aukon ympärillä olevasta valosta on polarisoitunutta.

”Tämän tutkimuksen tulokset ovat erittäin merkittäviä. Valon polarisaatio kantaa mukanaan informaatiota, jonka avulla voimme paremmin ymmärtää huhtikuussa 2019 näkemämme kuvan taustalla olevaa fysiikkaa, mikä ei aiemmin ollut mahdollista”, Iván Martí-Vidal kertoi. Hän on myös EHT-polarimetria työryhmän koordinaattori ja 'GENT Distinguished'-tutkija Valencian yliopistossa Espanjassa. Hän lisäsi, että ”tämän uuden polarisoituneen valon kuvan prosessoiminen vaati vuosien työn, koska datan keräämiseen ja analysointiin liittyy hyvin monimutkaisia tekniikoita”. 

Valo polarisoituu, kun se kulkee tiettyjen erityisten suotimien läpi, kuten polarisoitujen aurinkolasien linssien läpi. Valo voi myös polarisoitua, kun se saa alkunsa kuumista avaruuden alueista, joissa on magneettikenttiä. Samalla tavalla kuin polarisoidut aurinkolasit auttavat meitä näkemään paremmin vähentämällä heijastuksia ja häikäisyä kirkkailta pinnoilta, tähtitieteilijät voivat saada tarkempaa tietoa mustan aukon ympärillä olevasta alueesta tarkastelemalla, miten siitä peräisin oleva valo polarisoituu. Polarisaatio antaa tähtitieteilijöille mahdollisuuden tutkia erityisesti mustan aukon sisäreunassa olevan magneettikentän ominaisuuksia.

”Juuri julkaistut polarisaatiokuvat ovat avainasemassa sen ymmärtämisessä, miten magneettikenttä syöttää ainetta mustaan aukkoon ja miten voimakkaat suihkut saavat alkunsa”, EHT-yhteistyöverkoston jäsen Andrew Chael, joka on Nasan Hubble Fellow 'Princeton Center for Theoretical Science and Princeton Gravity Initiative'-yksikössä Yhdysvalloissa, sanoi.

M87:n ytimestä lähtevät voimakkaat energian ja aineen suihkut ulottuvat ainakin 5 000 valovuoden etäisyyteen sen keskustasta, ja ne ovat yksi galaksin salaperäisimmistä ja energisimmistä ominaisuuksista. Suurin osa mustan aukon reunan lähellä olevasta aineesta putoaa sen sisään. Osa ympäröivistä hiukkasista kuitenkin pakenee hetkeä ennen kaappautumistaan ja ne sinkoutuvat kauas avaruuteen suihkujen muodossa.

Tähtitieteilijät ovat rakentaneet erilaisia malleja siitä, miten aine käyttäytyy mustan aukon lähellä ymmärtääkseen paremmin siinä ilmeneviä prosesseja. Vielä ei kuitenkaan tiedetä tarkalleen, miten galaksia suuremmat suihkut saavat alkunsa sen keskialueelta, joka on kooltaan verrattavissa aurinkokuntaan. Myöskään ei tiedetä tarkkaan, kuinka aine putoaa mustaan aukkoon. Uuden EHT:n ottaman mustan aukon kuvan ja varjon polarisoituneen valon mittausten avulla tähtitieteilijät onnistuivat ensimmäistä kertaa tutkimaan mustan aukon ulkopuolella sijaitsevaa aluetta, jossa tämä aineen virtaus sisään- ja ulospäin tapahtuu.

Havainnot antavat uutta tietoa magneettikenttien rakenteesta aivan mustan aukon ulkopuolella. Tutkimusryhmä havaitsi, että vain ne teoreettiset mallit, joissa on voimakkaasti magnetoitunutta kaasua, voivat selittää, mitä he näkevät tapahtumahorisontissa tapahtuvan.

”Havainnot viittaavat siihen, että mustan aukon reunalla olevat magneettikentät ovat riittävän voimakkaita, jotta ne pystyvät työntämään kuumaa kaasua ja siten ne pystyvät auttamaan gravitaation vastustamisessa. Vain kentän läpi virtaava kaasu voi kiertyä sisäänpäin ja kadota tapahtumahorisonttiin”, yhdysvaltalaisen Colorado Boulderin yliopiston apulaisprofessori ja EHT Theory Working Groupin koordinaattori Jason Dexter sanoi.

M87-galaksin ytimen havainnoissa yhteistyöverkosto käytti kahdeksaa kaukoputkea ympäri maailmaa. Havainnoissa mukana olivat Pohjois-Chilessä sijaitseva Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ja Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), joissa Euroopan eteläinen observatorio (ESO) on mukana yhteistyökumppanina. EHT kokonaisuus on virtuaalinen Maan kokoinen kaukoputki. Sen avulla aikaan saatu erotuskyky vastaa Kuun pinnalla olevan luottokortin pituuden mittaamiseen tarvittavaa tarkkuutta.

”ALMA:n ja APEXin kautta, jotka eteläisen sijaintinsa kautta parantavat kuvanlaatua lisäämällä maantieteellistä EHT-verkon kattavuutta, eurooppalaisilla tutkijoilla oli keskeinen rooli tutkimuksessa”, Francisca Kemper, ESO:n eurooppalainen ALMA-ohjelman tutkija, sanoi. ”ALMA hallitsee 66 antennillaan polarisoidun valon kokonaissignaalia, kun taas APEX on ollut merkittävässä roolissa kuvan kalibroinnissa.”

”ALMA:n keräämä data oli myös ratkaisevassa roolissa EHT-havaintojen kalibroinnissa, kuvan muodostuksessa ja tulkinnassa, minkä ansiosta pystyttiin tekemään tiukkoja rajoituksia teoreettisille malleille, jotka selittävät, miten aine käyttäytyy lähellä mustan aukon tapahtumahorisonttia”, Radboudin yliopiston ja Leidenin observatorion tutkija Ciriaco Goddi sanoi. Hän veti myös tässä julkaistuun tutkimukseen liittyvää tutkimusta, joka perustui pelkästään ALMA:n havaintoihin.

Tutkimusryhmä pystyi EHT:n avulla tekemään suoria havaintoja mustan aukon varjosta ja sen ympärillä olevasta valorenkaasta. Uusi polarisoituneen valon kuva osoittaa selvästi, että rengas on magnetoitunut. EHT-yhteistyöverkoston tekemät tutkimustulokset julkaistaan tänään kahdessa erillisessä artikkelissa 'Astrophysical Journal Letters'-lehdessä. Tutkimukseen osallistui yli 300 tutkijaa useista organisaatioista ja yliopistoista ympäri maailmaa.

”EHT kehittyy nopealla tahdilla, ja verkostoon tehdään teknologisia parannuksia ja siihen liitetään uusia observatorioita. Odotamme tulevien EHT-havaintojen paljastavan tarkemmin mustan aukon ympärillä olevan magneettikentän rakenteen ja kertovan meille lisää kuuman kaasun fysiikasta tällä alueella”, EHT-yhteistyöverkoston jäsen Jongho Park, 'East Asian Core Observatories Association Fellow' tähtitieteen ja astrofysiikan Academia Sinica instituutista Taipeista, sanoi.