Astronomer använde National Science Foundations Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) för att göra den första direkta bilden av en dammig, munkformad särdrag som omger det supermassiva svarta hålet i kärnan av en av de mest kraftfulla radiogalaxerna i universum – en egenskap som först antogs av teoretiker för nästan fyra decennier sedan som en väsentlig del av sådana objekt.

Forskarna studerade Cygnus A, en galax cirka 760 miljoner ljusår från jorden. Galaxen har ett svart hål som är 2,5 miljarder gånger mer massivt än solen i dess kärna. När det svarta hålets kraftfulla gravitationskraft drar in omgivande material, den driver också supersnabba strålar av material som färdas utåt med nästan ljusets hastighet, producerar spektakulära "lober" av ljusa radiostrålar.

Svarthålsdrivna "centrala motorer" som producerar ljusa utsläpp vid olika våglängder, och jetstrålar som sträcker sig långt bortom galaxen är vanliga för många galaxer, men visar olika egenskaper när de observeras. Dessa skillnader ledde till en mängd olika namn, såsom kvasarer, blazarer, eller Seyfert galaxer. För att förklara skillnaderna, teoretiker konstruerade en "enhetlig modell" med en gemensam uppsättning funktioner som skulle visa olika egenskaper beroende på vinkeln från vilken de betraktas.

Den enhetliga modellen inkluderar det centrala svarta hålet, en roterande skiva av infallande material som omger det svarta hålet, och strålarna som rusar utåt från skivans poler. Dessutom, för att förklara varför samma typ av föremål ser olika ut när det ses från olika vinklar, en tjock, dammig, munkformad "torus" ingår, kring de inre delarna. Torus skymmer vissa funktioner när den ses från sidan, leder till uppenbara skillnader för betraktaren, även för i sig liknande föremål. Astronomer kallar generellt denna gemensamma uppsättning funktioner för en aktiv galaktisk kärna (AGN).

"Torus är en viktig del av AGN-fenomenet, och bevis finns för sådana strukturer i närliggande AGN med lägre ljusstyrka, men vi har aldrig tidigare direkt sett en i en så starkt utsändande radiogalax, " sa Chris Carilli, av National Radio Astronomy Observatory (NRAO). "Torusen hjälper till att förklara varför objekt kända under olika namn faktiskt är samma sak, bara sett från ett annat perspektiv, " han lade till.

På 1950-talet astronomer upptäckte föremål som starkt sänder ut radiovågor, men verkade punktliknande, liknar avlägsna stjärnor, när den senare observerades med teleskop för synligt ljus. 1963, Maarten Schmidt från Caltech upptäckte att ett av dessa objekt var extremt avlägset, och fler sådana upptäckter följde snabbt. För att förklara hur dessa föremål, dubbade kvasarer, kan vara så ljust, teoretiker föreslog att de måste utnyttja den enorma gravitationsenergin hos supermassiva svarta hål. Kombinationen av svart hål, den roterande skivan, kallas en accretion disk, och jetplanen kallades den "centrala motorn" som var ansvarig för objektens produktiva energiutsläpp.

Samma typ av central motor verkade också förklara utdata från andra typer av objekt, inklusive radiogalaxer, blazarer, och Seyfert Galaxies. Dock, var och en visade olika egenskaper. Teoretiker arbetade för att utveckla ett "enhetsschema" för att förklara hur samma sak kunde se ut på olika sätt. 1977, mörkläggning av damm föreslogs som en del av detta system. I en tidning från 1982, Robert Antonucci, vid University of California, Santa Barbara, presenterade en teckning av en ogenomskinlig torus - ett munkformat föremål - som omger den centrala motorn. Från den stunden, en döljande torus har varit ett vanligt inslag i astronomers enhetliga syn på alla typer av aktiva galaktiska kärnor.

"Cygnus A är det närmaste exemplet på en kraftfull radioemitterande galax — 10 gånger närmare än någon annan med jämförbart ljus radiostrålning. Den närheten gjorde det möjligt för oss att hitta torusen i en högupplöst VLA-bild av galaxens kärna, sa Rick Perley, även av NRAO. "Att utföra mer arbete av den här typen på svagare och mer avlägsna objekt kommer nästan säkert att behöva den förbättring av storleksordningen i känslighet och upplösning som den föreslagna Next Generation Very Large Array (ngVLA) skulle ge, " han lade till.

VLA-observationerna avslöjade direkt gasen i Cygnus A:s torus, som har en radie på nästan 900 ljusår. Långvariga modeller för torus tyder på att dammet finns i moln inbäddade i den något klumpiga gasen.

"Det är verkligen fantastiskt att äntligen se direkta bevis på något som vi länge har antagit borde finnas där, " sa Carilli. "För att mer exakt bestämma formen och sammansättningen av denna torus, vi måste göra ytterligare observationer. Till exempel, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) kan observera vid våglängder som direkt avslöjar dammet, " han lade till.

Carilli och Perley, med sina kollegor Vivek Dhawan, även från NRAO, och Daniel Perley från Liverpool John Moores University i Storbritannien, upptäckte torus när de följde upp deras överraskande upptäckt 2016 av en ny, ljust föremål nära centrum av Cygnus A. Det nya föremålet, de sa, är sannolikt ett andra supermassivt svart hål som först nyligen stött på nytt material som det skulle kunna sluka, vilket får det att producera ljusa emissioner på samma sätt som det centrala svarta hålet gör. Existensen av det andra svarta hålet, de sa, antyder att Cygnus A slogs samman med en annan galax i det astronomiskt nära förflutna.

Cygnus A, så namnet eftersom det är det mest kraftfulla radioutsändande objektet i stjärnbilden Cygnus, upptäcktes 1946 av den engelske fysikern och radioastronomen J.S. Hallå. Den matchades med ett synligt ljus, jättegalaxen av Walter Baade och Rudolf Minkowski 1951. Den blev ett tidigt mål för VLA strax efter dess färdigställande i början av 1980-talet. Detailed VLA images of Cygnus A published in 1984 produced major advances in astronomers' understanding of such galaxies.

The scientists are reporting their findings in the Astrofysiska tidskriftsbrev .