I april 2019, forskare släppte den första bilden av ett svart hål i galaxen M87 med hjälp av Event Horizon Telescope (EHT). Dock, den anmärkningsvärda bedriften var bara början på den vetenskapshistoria som skulle berättas.

Data från 19 observatorier som släpptes idag lovar att ge oöverträffad inblick i detta svarta hål och det system det driver, och att förbättra tester av Einsteins allmänna relativitetsteori.

"Vi visste att den första direkta bilden av ett svart hål skulle vara banbrytande, " säger Kazuhiro Hada från National Astronomical Observatory of Japan, en medförfattare till en ny studie publicerad i The Astrophysical Journal Letters som beskriver den stora mängden data. "Men för att få ut det mesta av denna anmärkningsvärda bild, vi behöver veta allt vi kan om det svarta hålets beteende vid den tiden genom att observera över hela det elektromagnetiska spektrumet."

Den enorma gravitationskraften hos ett supermassivt svart hål kan driva strålar av partiklar som färdas med nästan ljusets hastighet över stora avstånd. M87:s jetstrålar producerar ljus som spänner över hela det elektromagnetiska spektrumet, från radiovågor till synligt ljus till gammastrålar. Detta mönster är olika för varje svart hål. Att identifiera detta mönster ger avgörande insikt i ett svart håls egenskaper – till exempel, dess spinn och energiproduktion – men är en utmaning eftersom mönstret förändras med tiden.

Forskare kompenserade för denna variation genom att koordinera observationer med många av världens mest kraftfulla teleskop på marken och i rymden, samlar ljus från hela spektrumet. Dessa 2017 observationer var den största samtidiga observationskampanj som någonsin genomförts på ett supermassivt svart hål med jetstrålar.

Tre observatorier som förvaltas av Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian deltog i landmärkeskampanjen:Submillimeter Array (SMA) i Hilo, Hawaii; det rymdbaserade Chandra röntgenobservatoriet; och Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) i södra Arizona.

Börjar med EHT:s nu ikoniska bild av M87, en ny video tar tittarna på en resa genom data från varje teleskop. Varje på varandra följande ram visar data över många faktorer av tio i skala, både av ljusets våglängder och fysisk storlek.

Sekvensen börjar med april 2019-bilden av det svarta hålet. Den rör sig sedan genom bilder från andra radioteleskoparrayer från hela världen (SMA), rör sig utåt i synfältet under varje steg. Nästa, vyn ändras till teleskop som upptäcker synligt ljus, ultraviolett ljus, och röntgenstrålar (Chandra). Skärmen delas för att visa hur dessa bilder, som täcker samma mängd av himlen samtidigt, jämföra med varandra. Sekvensen avslutas med att visa vilka gammastrålningsteleskop på marken (VERITAS), och Fermi i rymden, upptäcka från detta svarta hål och dess jet.

Varje teleskop levererar olika information om beteendet och påverkan av det svarta hålet med 6,5 miljarder solmassa i mitten av M87, som ligger cirka 55 miljoner ljusår från jorden.

"Det finns flera grupper som är ivriga att se om deras modeller passar dessa rika observationer, och vi är glada över att se hela samhället använda denna offentliga datauppsättning för att hjälpa oss att bättre förstå de djupa länkarna mellan svarta hål och deras jets, säger medförfattaren Daryl Haggard från McGill University i Montreal, Kanada.

Uppgifterna samlades in av ett team av 760 forskare och ingenjörer från nästan 200 institutioner, spänner över 32 länder eller regioner, och med hjälp av observatorier finansierade av byråer och institutioner runt om i världen. Observationerna var koncentrerade från slutet av mars till mitten av april 2017.

"Denna otroliga uppsättning observationer inkluderar många av världens bästa teleskop, säger medförfattaren Juan Carlos Algaba vid University of Malaya i Kuala Lumpur, Malaysia. "Detta är ett underbart exempel på astronomer runt om i världen som arbetar tillsammans i jakten på vetenskap."

De första resultaten visar att intensiteten av ljuset som produceras av material runt M87:s supermassiva svarta hål var den lägsta som någonsin observerats. Detta skapade idealiska förhållanden för att se "skuggan" av det svarta hålet, samt att kunna isolera ljuset från regioner nära händelsehorisonten från dessa tiotusentals ljusår bort från det svarta hålet.

Kombinationen av data från dessa teleskop, och nuvarande (och framtida) EHT-observationer, kommer att tillåta forskare att genomföra viktiga undersökningslinjer inom några av astrofysikens mest betydelsefulla och utmanande studieområden. Till exempel, forskare planerar att använda dessa data för att förbättra tester av Einsteins allmänna relativitetsteori. För närvarande, osäkerhet om materialet som roterar runt det svarta hålet och sprängs bort i jetstrålar, särskilt de egenskaper som bestämmer det utsända ljuset, utgör ett stort hinder för dessa allmänna relativitetstester.

En relaterad fråga som tas upp i dagens studie rör ursprunget till energiska partiklar som kallas "kosmiska strålar, " som ständigt bombarderar jorden från yttre rymden. Deras energier kan vara en miljon gånger högre än vad som kan produceras i den mest kraftfulla acceleratorn på jorden, Large Hadron Collider. De enorma jetplanen som sköts upp från svarta hål, som de som visas på dagens bilder, tros vara den mest sannolika källan till kosmiska strålar med högsta energi, men det finns många frågor om detaljerna, inklusive de exakta platserna där partiklarna accelereras. Eftersom kosmiska strålar producerar ljus via sina kollisioner, gammastrålarna med högst energi kan peka ut denna plats, och den nya studien indikerar att dessa gammastrålar sannolikt inte produceras nära händelsehorisonten – åtminstone inte under 2017. En nyckel till att lösa denna debatt kommer att vara jämförelse med observationerna från 2018, och de nya uppgifterna som samlas in denna vecka.

"Att förstå partikelaccelerationen är verkligen centralt för vår förståelse av både EHT-bilden och strålarna, i alla deras "färger", " säger medförfattaren Sera Markoff från universitetet i Amsterdam. "Dessa jetstrålar lyckas transportera energi som frigörs av det svarta hålet ut till skalor större än värdgalaxen, som en stor nätsladd. Våra resultat kommer att hjälpa oss att beräkna mängden kraft som transporteras, och effekten det svarta hålets jetstrålar har på sin miljö."

Utgivningen av denna nya skattkammare av data sammanfaller med EHT:s observationskörning 2021, som utnyttjar ett världsomspännande utbud av radiorätter, den första sedan 2018. Förra årets kampanj ställdes in på grund av covid-19-pandemin, och föregående år avbröts på grund av oförutsedda tekniska problem. Denna vecka, i sex nätter, EHT-astronomer riktar sig mot flera supermassiva svarta hål:det i M87 igen, den i vår galax som heter Skytten A*, och flera mer avlägsna svarta hål. Jämfört med 2017, arrayen har förbättrats genom att lägga till ytterligare tre radioteleskop:Grönlandsteleskopet, Kitt Peak 12-meters teleskopet i Arizona, och NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) i Frankrike.

"Med frisläppandet av dessa uppgifter, kombinerat med återupptagandet av observation och en förbättrad EHT, vi vet att många spännande nya resultat är vid horisonten, " säger medförfattaren Mislav Balokovic från Yale University.

"Jag är verkligen glad över att se dessa resultat komma ut, tillsammans med mina kollegor som arbetar med SMA, av vilka några var direkt involverade i att samla in en del av data för denna spektakulära utsikt till M87, " säger medförfattaren Garrett Keating, en Submillimeter Array-projektforskare. "Och med resultaten av Sagittarius A* - det massiva svarta hålet i mitten av Vintergatan - som snart kommer ut, och återupptagandet av observation i år, vi ser fram emot ännu mer fantastiska resultat med EHT i många år framöver."