En ny bild från Event Horizon Telescope (EHT)-samarbetet—som inkluderar forskare från Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA)— har avslöjat starka och organiserade magnetiska fält som spiralerar från kanten av det supermassiva svarta hålet Sagittarius A* (Sgr A*).
Sedd i polariserat ljus för första gången har denna nya syn på monstret som lurar i hjärtat av Vintergatans galax avslöjat en magnetfältstruktur som är slående lik den för det svarta hålet i mitten av M87-galaxen, vilket tyder på att stark magnetisk fält kan vara gemensamma för alla svarta hål. Denna likhet antyder också en dold jet i Sgr A*.
Resultaten publicerades i The Astrophysical Journal Letters .
Forskare avslöjade den första bilden av Sgr A* – som är cirka 27 000 ljusår bort från jorden – 2022, och avslöjade att medan Vintergatans supermassiva svarta hål är mer än tusen gånger mindre och mindre massivt än M87:s, ser det anmärkningsvärt likt ut. .
Detta fick forskare att undra om de två delade gemensamma drag utanför deras utseende. För att ta reda på det beslutade teamet att studera Sgr A* i polariserat ljus. Tidigare studier av ljus runt M87* avslöjade att magnetfälten runt jätten med det svarta hålet gjorde det möjligt för den att skicka kraftfulla strålar av material tillbaka till den omgivande miljön. Med utgångspunkt i detta arbete har de nya bilderna avslöjat att detsamma kan vara sant för Sgr A*.
"Vad vi ser nu är att det finns starka, vridna och organiserade magnetfält nära det svarta hålet i mitten av Vintergatans galax", säger Sara Issaoun, CfA NASA Hubble Fellowship Program Einstein Fellow, Smithsonian Astrophysical Observatory (SAO) ) astrofysiker och medledare för projektet.
"Tillsammans med att Sgr A* har en slående liknande polarisationsstruktur som den som ses i det mycket större och kraftfullare M87* svarta hålet, har vi lärt oss att starka och ordnade magnetiska fält är avgörande för hur svarta hål interagerar med gasen och materia runt omkring. dem."
Ljus är en oscillerande eller rörlig, elektromagnetisk våg som gör att vi kan se föremål. Ibland svänger ljus i en föredragen orientering, och vi kallar det "polariserat". Även om polariserat ljus omger oss, är det för mänskliga ögon omöjligt att skilja från "normalt" ljus.
I plasman runt dessa svarta hål ger partiklar som virvlar runt magnetfältlinjer ett polariseringsmönster vinkelrätt mot fältet. Detta gör att astronomer kan se i allt mer levande detaljer vad som händer i områden med svarta hål och kartlägga deras magnetfältslinjer.
"Genom att avbilda polariserat ljus från het glödande gas nära svarta hål sluter vi oss direkt till strukturen och styrkan hos de magnetiska fälten som leder flödet av gas och materia som det svarta hålet matar på och stöter ut", säger Harvard Black Hole Initiative Fellow och projektledare Angelo Ricarte. "Polariserat ljus lär oss mycket mer om astrofysiken, gasens egenskaper och mekanismer som äger rum när ett svart hål matas."
Men att avbilda svarta hål i polariserat ljus är inte lika lätt som att ta på sig ett par polariserade solglasögon, och det gäller särskilt Sgr A*, som förändras så snabbt att det inte sitter stilla för bilder. Att avbilda det supermassiva svarta hålet kräver sofistikerade verktyg utöver de som tidigare använts för att fånga M87*, ett mycket stadigare mål.
CfA-postdoktor och SAO-astrofysiker Paul Tiede sa:"Det är spännande att vi överhuvudtaget kunde göra en polariserad bild av Sgr A*. Den första bilden tog månader av omfattande analys för att förstå dess dynamiska natur och avslöja dess genomsnittliga struktur."
"Att göra en polariserad bild ökar utmaningen med dynamiken i magnetfälten runt det svarta hålet. Våra modeller förutspådde ofta mycket turbulenta magnetfält, vilket gör det extremt svårt att konstruera en polariserad bild. Lyckligtvis är vårt svarta hål mycket lugnare, vilket gör den första möjliga bilden."
Forskare är glada över att ha bilder av både supermassiva svarta hål i polariserat ljus eftersom dessa bilder och data som följer med dem ger nya sätt att jämföra och kontrastera svarta hål av olika storlekar och massor. När tekniken förbättras kommer bilderna sannolikt att avslöja ännu fler hemligheter med svarta hål och deras likheter eller skillnader.
Michi Bauböck, postdoktor vid University of Illinois Urbana-Champaign, sa:"M87* och Sgr A* är olika på några viktiga sätt:M87* är mycket större, och den drar in materia från sin omgivning i mycket snabbare takt Så vi kan ha förväntat oss att magnetfälten också ser väldigt olika ut, men i det här fallet visade sig de vara ganska lika, vilket kan betyda att den här strukturen är gemensam för alla svarta hål.
"En bättre förståelse av magnetfälten nära svarta hål hjälper oss att svara på flera öppna frågor – från hur jetstrålar bildas och skjuts upp till vad som driver de ljusa flammorna vi ser i infrarött ljus och röntgenljus."
EHT har genomfört flera observationer sedan 2017 och är planerad att observera Sgr A* igen i april 2024. Varje år förbättras bilderna eftersom EHT införlivar nya teleskop, större bandbredd och nya observationsfrekvenser. Planerade expansioner för det kommande decenniet kommer att möjliggöra högtrohetsfilmer av Sgr A*, kan avslöja en dold jet och kan tillåta astronomer att observera liknande polarisationsegenskaper i andra svarta hål. Samtidigt kommer en utvidgning av EHT i rymden att ge skarpare bilder av svarta hål än någonsin tidigare.
CfA leder flera stora initiativ för att kraftigt förbättra EHT under det kommande decenniet. Nästa generations EHT (ngEHT)-projekt genomför en transformativ uppgradering av EHT, som syftar till att sätta flera nya radiorätter online, möjliggöra samtidiga flerfärgsobservationer och öka den övergripande känsligheten hos arrayen.
ngEHT-expansionen kommer att göra det möjligt för arrayen att göra realtidsfilmer av supermassiva svarta hål på händelsehorisontskalor. Dessa filmer kommer att lösa detaljerad struktur och dynamik nära händelsehorisonten, och fokusera på gravitationsegenskaper med "starkt fält" som förutspåtts av General Relativity samt samspelet mellan ackretion och relativistisk jetuppskjutning som skulpterar storskaliga strukturer i universum.
Samtidigt kommer uppdragskonceptet Black Hole Explorer (BHEX) att utöka EHT ut i rymden och producera de skarpaste bilderna i astronomihistorien. BHEX kommer att möjliggöra detektering och avbildning av "fotonringen" – en skarp ringfunktion som bildas av starkt linserad emission runt svarta hål.
Egenskaperna hos ett svart hål är präglade på fotonringens storlek och form, avslöjar massor och spinn för dussintals svarta hål, vilket i sin tur visar hur dessa konstiga objekt växer och interagerar med sina värdgalaxer.
Mer information: Issaoun, S. et al, Resultat från First Sagittarius A* Event Horizon Telescope. VII. Polarization of the Ring, The Astrophysical Journal Letters (2024), DOI:10.3847/2041-8213/ad2df0
Ricarte A. et al, "First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. VIII. Physical Interpretation of the Polarized Ring," The Astrophysical Journal Letters (2024), DOI:10.3847/2041-8213/ad2df1
Journalinformation: Astrophysical Journal Letters
Tillhandahålls av Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics
