Vědci a instituce podílející se na programu Event Horizon Telescope (EHT), kterým se v roce 2019 podařilo získat historicky první snímek černé díry, zveřejnili nový pohled na tento extrémně hmotný objekt ležící ve středu galaxie M87.
Záběr objektu vzdáleného 55 milionů světelných let od Země zachycuje velmi blízké okolí černé díry v polarizovaném záření, což se astronomům podařilo pozorovat vůbec poprvé. Vědci tak získali nedocenitelné informace o vlastnostech zdejšího magnetického pole, které jsou klíčové pro vysvětlení procesů, jakými galaxie M87 vytváří výtrysky vysoce energetických částic proudících z jejího jádra.
„Nyní máme k dispozici další důležité informace, abychom pochopili, jak vypadá magnetické pole v okolí černé díry a jakým způsobem aktivita v takto kompaktní oblasti prostoru pohání mohutné výtrysky, které se táhnou z jádra daleko za hranice této galaxie,“ říká astronomka Monika Mościbrodzka, která vedla část tohoto výzkumu.
Před dvěma lety, 10. dubna 2019, byl zveřejněn první snímek černé díry v historii, který zachycuje jasnou prstencovou strukturu a tmavou centrální oblast – takzvaný stín černé díry. Od té doby se vědci sdružení ve skupině EHT collaboration snaží o podrobnější analýzu dat o tomto superhmotném objektu v srdci galaxie M87 získaných již během roku 2017. Zjistili, že značná část záření přicházejícího z okolí černé díry je polarizovaná.
„Tato práce představuje významný milník: Polarizace záření nese informace, které umožňují lépe pochopit fyzikální procesy skrývající se za záběrem publikovaným v dubnu 2019, a to dosud možné nebylo,“ vysvětluje vědec Iván Martí-Vidal. „Zpracování nového záběru v polarizovaném záření si vyžádalo roky práce, protože metody získání a analýzy těchto dat jsou mimořádně komplikované.“
Polarizované záření
K polarizaci elektromagnetického záření dochází buď s použitím filtrů, jako například u skel slunečních brýlí, nebo v případě, že záření emituje velmi horká látka ovlivňovaná magnetickým polem. A stejně jako sluneční brýle s polarizačními skly umožňují redukovat odrazy od lesklých povrchů, mohou astronomové vylepšit svůj pohled na oblast v okolí černé díry tím, že zjistí, jak je odsud pocházející záření polarizováno. Přesněji řečeno, polarizace vědcům umožňuje mapovat strukturu siločar magnetického pole na samotném okraji černé díry.
„Tento nový záběr obsahující informaci o polarizaci záření je klíčem k pochopení procesů, jakým magnetické pole umožňuje černé díře pohlcovat hmotu a vytvářet mohutné výtrysky,“ vysvětluje člen skupiny EHT collaboration Andrew Chael.
Jasné výtrysky vystupující z jádra M87 se táhnou minimálně pět tisíc světelných let od jejího středu a jsou jedním z nejzáhadnějších útvarů této galaxie. Většina hmoty, která se ocitne v blízkosti černé díry, je vtažena dovnitř. Určité množství částic s vysokou energií však může uniknout těsně před pohlcením a je vypuzeno daleko do okolního prostoru v podobě nápadných výtrysků – jetů.
Aby astronomové lépe pochopili tento proces, vytvořili řadu různých modelů chování hmoty v blízkosti černé díry. Stále však přesně nevědí, jakým způsobem centrum galaxie – velikostí srovnatelné se Sluneční soustavou – produkuje jety, které dosahují délky porovnatelné s celou galaxií, a ani to, jak přesně hmota do černé díry padá. Díky novému zpracování snímku černé díry a jejího stínu v polarizovaném záření se astronomové poprvé mohou podívat do oblasti v těsné blízkosti horizontu událostí, kde se rozhoduje o tom, zda hmota bude pohlcena, nebo vyvržena pryč.
Síla magnetického pole černé díry
Nově zpracovaná data poskytují informaci o struktuře magnetického pole na samotném okraji černé díry. A členové týmu na jejich základě zjistili, že pouze ty teoretické modely, které počítají s hmotou v silném magnetickém poli, mohou vysvětlit struktury, které jde pozorovat poblíž horizontu událostí.
„Pozorování naznačují, že magnetické pole na okraji černé díry je dostatečně silné na to, aby vytlačilo horký plyn zpět a pomohlo hmotě odolat síle gravitace. Pouze plyn, který sklouzne podél magnetického pole, může po spirále sestoupit až k samotnému horizontu událostí,“ vysvětluje astronom Jason Dexter.
Spolupráce teleskopů
Kvůli pozorování srdce galaxie M87 bylo v rámci mezinárodní spolupráce propojeno osm radioteleskopů po celém světě – mezi nimi také ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) a APEX (Atacama Pathfinder EXperiment) v severním Chile, jejichž evropským partnerem je ESO (European Southern Observatory). Vznikl tak virtuální teleskop EHT o rozměrech srovnatelných se Zemí. Působivé rozlišení dosažené pomocí EHT by umožnilo měřit ze Země velikost kreditní karty ležící na povrchu Měsíce.
Uspořádání teleskopu EHT umožnilo vědcům přímo pozorovat stín černé díry a světelný prstenec kolem něj. Nový záběr v polarizovaném záření jasně ukazuje, že v prstenci je přítomné magnetické pole. Výsledky byly pod hlavičkou EHT colaboration publikovány ve dvojici samostatných článků ve vědeckém časopise Astrophysical Journal Letters. Výzkum provádělo přes 300 vědců z řady organizací a univerzit celého světa.
