Samarbetet med Event Horizon Telescope (EHT), som producerade den första bilden någonsin av ett svart hål som släpptes 2019, har idag en ny bild av det massiva föremålet i centrum av Messier 87 (M87) galaxen:hur det ser ut i polariserat ljus. Detta är första gången astronomer har kunnat mäta polarisation, en signatur av magnetiska fält, detta nära kanten av ett svart hål. Den här bilden visar den polariserade vyn av det svarta hålet i M87. Linjerna markerar orienteringen av polarisationen, som är relaterat till magnetfältet runt skuggan av det svarta hålet. Kredit:EHT Collaboration
Samarbetet med Event Horizon Telescope (EHT), som producerade den första bilden någonsin av ett svart hål, har idag avslöjat en ny vy av det massiva objektet i centrum av Messier 87 (M87) galaxen:Hur det ser ut i polariserat ljus. Detta är första gången astronomer har kunnat mäta polarisation, en signatur av magnetiska fält, detta nära kanten av ett svart hål. Observationerna är nyckeln till att förklara hur M87-galaxen, ligger 55 miljoner ljusår bort, kan skjuta upp energiska jetplan från sin kärna.
"Vi ser nu nästa avgörande bevis för att förstå hur magnetfält beter sig runt svarta hål, och hur aktivitet i denna mycket kompakta region av rymden kan driva kraftfulla jetstrålar som sträcker sig långt bortom galaxen, säger Monika Moscibrodzka, Koordinator för EHT Polarimetry Working Group och biträdande professor vid Radboud University i Nederländerna.
Den 10 april 2019, forskare släppte den första bilden av ett svart hål, avslöjar en ljus ringliknande struktur med en mörk central region - det svarta hålets skugga. Sedan dess, EHT-samarbetet har grävt djupare i data om det supermassiva objektet i hjärtat av M87-galaxen som samlades in 2017. De har upptäckt att en betydande del av ljuset runt det svarta hålet M87 är polariserat.
"Det här arbetet är en viktig milstolpe:polariseringen av ljus bär information som gör att vi bättre kan förstå fysiken bakom bilden vi såg i april 2019, vilket inte var möjligt tidigare, " förklarar Iván Martí-Vidal, också koordinator för EHT Polarimetry Working Group och GenT framstående forskare vid University of Valencia, Spanien. Han säger, "Att avslöja denna nya polariserade ljusbild krävde år av arbete på grund av de komplexa teknikerna som är involverade i att erhålla och analysera data."
Ljus blir polariserat när det går igenom vissa filter, som linserna på polariserade solglasögon, eller när det sänds ut i varma områden i rymden där magnetfält finns. På samma sätt som polariserade solglasögon förbättrar synen genom att minska reflexer och bländning från ljusa ytor, astronomer kan skärpa sin syn på området runt det svarta hålet genom att titta på hur ljuset som kommer från det är polariserat. Specifikt, polarisering gör det möjligt för astronomer att kartlägga de magnetiska fältlinjerna som finns vid den inre kanten av det svarta hålet.
Denna sammansatta bild visar tre vyer av den centrala delen av Messier 87 (M87) galaxen i polariserat ljus och en vy, i den synliga våglängden, tagen med rymdteleskopet Hubble. Galaxen har ett supermassivt svart hål i mitten och är känd för sina jetstrålar, som sträcker sig långt bortom galaxen. Hubble-bilden längst upp fångar en del av jetstrålen som är cirka 6000 ljusår i storlek. En av bilderna med polariserat ljus, erhållen med den chilebaserade Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), där ESO är en partner, visar en del av strålen i polariserat ljus. Den här bilden fångar delen av jetstrålen, med en storlek på 6000 ljusår, närmare galaxens centrum. De andra polariserade ljusbilderna zoomar in närmare det supermassiva svarta hålet:mittvyn täcker en region i storlek ungefär ett ljusår och erhölls med National Radio Astronomy Observatorys Very Long Baseline Array (VLBA) i USA. Den mest inzoomade vyn erhölls genom att länka åtta teleskop runt om i världen för att skapa ett virtuellt teleskop i jordstorlek, Event Horizon Telescope eller EHT. Detta gör att astronomer kan se mycket nära det supermassiva svarta hålet, in i regionen där jetplanen avfyras. Linjerna markerar orienteringen av polarisationen, som är relaterat till magnetfältet i de avbildade områdena. ALMA-data ger en beskrivning av magnetfältets struktur längs strålen. Därför gör den kombinerade informationen från EHT och ALMA det möjligt för astronomer att undersöka rollen av magnetiska fält från närheten av händelsehorisonten (som undersökt med EHT på ljusdagsskalor) till långt bortom M87-galaxen längs dess kraftfulla jetstrålar (som sonderade) med ALMA på skalor av tusentals ljusår). Värdena i GHz hänvisar till ljusets frekvenser vid vilka de olika observationerna gjordes. De horisontella linjerna visar skalan (i ljusår) för var och en av de enskilda bilderna. Kredit:EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; NASA, ESA och Hubble Heritage Team (STScI/AURA); VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J.C. Algaba, I. Martí-Vidal
"De nyligen publicerade polariserade bilderna är nyckeln till att förstå hur magnetfältet tillåter det svarta hålet att 'äta' materia och skjuta upp kraftfulla jetstrålar, " säger EHT-samarbetsmedlem Andrew Chael, en NASA Hubble Fellow vid Princeton Center for Theoretical Science och Princeton Gravity Initiative i USA.
De ljusa strålarna av energi och materia som kommer ut från M87:s kärna och sträcker sig minst 5, 000 ljusår från dess centrum är en av galaxens mest mystiska och energiska egenskaper. Det mesta som ligger nära kanten av ett svart hål faller i. några av de omgivande partiklarna flyr några ögonblick innan fångst och blåses långt ut i rymden i form av jetstrålar.
Astronomer har förlitat sig på modeller av materias beteende nära det svarta hålet för att bättre förstå denna process. Men de vet fortfarande inte exakt hur jetstrålar som är större än själva galaxen skickas upp från dess centrala region, som i storlek är jämförbar med solsystemet, inte heller hur, exakt, materia faller i det svarta hålet. Med den nya EHT-bilden av det svarta hålet och dess skugga i polariserat ljus, astronomer lyckades för första gången titta in i området strax utanför det svarta hålet där detta samspel mellan materia som flödar in och kastas ut pågår.
Observationerna ger ny information om magnetfältens struktur strax utanför det svarta hålet. Teamet fann att endast teoretiska modeller med starkt magnetiserad gas kan förklara vad de ser vid händelsehorisonten.
"Observationerna tyder på att magnetfälten vid det svarta hålets kant är tillräckligt starka för att trycka tillbaka på den heta gasen och hjälpa den att motstå gravitationens dragkraft. Endast gasen som glider genom fältet kan spiralera inåt mot händelsehorisonten, " förklarar Jason Dexter, biträdande professor vid University of Colorado Boulder, USA, och koordinator för EHT Theory Working Group.
För att observera hjärtat av M87-galaxen, samarbetet kopplade samman åtta teleskop runt om i världen – inklusive den norra Chile-baserade Atacama Large Millimeter/submillimeter Array och Atacama Pathfinder EXperiment, där European Southern Observatory (ESO) är en partner – för att skapa ett virtuellt teleskop i jordstorlek, EHT. Den imponerande upplösningen som erhålls med EHT motsvarar den som behövs för att mäta längden på ett kreditkort på månens yta.
"Med ALMA och APEX, som genom sitt södra läge förbättrar bildkvaliteten genom att lägga till geografisk spridning till EHT-nätverket, Europeiska vetenskapsmän kunde spela en central roll i forskningen, säger Ciska Kemper, European ALMA Program Scientist vid ESO. "Med sina 66 antenner, ALMA dominerar den övergripande signalinsamlingen i polariserat ljus, medan APEX har varit avgörande för kalibreringen av bilden."
"ALMA-data var också avgörande för att kalibrera, avbilda och tolka EHT-observationerna, ger snäva begränsningar för de teoretiska modellerna som förklarar hur materia beter sig nära det svarta hålets händelsehorisont, " tillägger Ciriaco Goddi, en forskare vid Radboud University och Leiden Observatory, Nederländerna, som ledde en medföljande studie som endast förlitade sig på ALMA-observationer.
EHT-inställningen gjorde det möjligt för teamet att direkt observera det svarta hålets skugga och ljusringen runt den. Den nya bilden med polariserat ljus visar tydligt att ringen är magnetiserad. Resultaten publiceras idag i två separata tidningar i Astrofysiska tidskriftsbrev av EHT-samarbetet. Forskningen involverade över 300 forskare från flera organisationer och universitet världen över.
"EHT gör snabba framsteg, med tekniska uppgraderingar av nätverket och nya observatorier läggs till. Vi förväntar oss att framtida EHT-observationer mer exakt avslöjar magnetfältsstrukturen runt det svarta hålet och berättar mer om fysiken för den heta gasen i denna region, " avslutar EHT-samarbetsmedlem Jongho Park, en East Asian Core Observatories Association Fellow vid Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics i Taipei.
Denna forskning presenterades i två artiklar av EHT-samarbetet publicerade idag i The Astrofysiska tidskriftsbrev :"First M87 Event Horizon Telescope Results VII:Polarization of the Ring" (DOI:10.3847/2041-8213/abe71d ) och "First M87 Event Horizon Telescope Results VIII:Magnetic Field Structure Near The Event Horizon" (DOI:70.384/10.384/10.38 -8213/abe4de ). Medföljande forskning presenteras i artikeln "Polarimetric properties of Event Horizon Telescope targets from ALMA" (DOI:10.3847/2041-8213/abee6a ) av Goddi, Martí-Vidal, Messias, och EHT-samarbetet, som har godkänts för publicering i The Astrofysiska tidskriftsbrev .
