Svarta hålets magnetfält avslöjas av Event Horizon Telescope

Event Horizon Telescope-konsortiet, som 2019 presenterade den första bilden av ett svart hål, har nu offentliggjort en ny bild av det supermassiva svarta hålet i centrum av galaxen M87 som visar ljusets polarisation.

Det är första gången som astronomer har kunnat mäta polarisation så nära kanten av ett svart hål. Polariserat ljus i galaxer är en indikation på förekomsten av magnetfält. Observationerna är avgörande för att förstå hur energirika jetstrålar bildas i M 87, som är belägen på 55 miljoner ljusårs avstånd.

Monica Mościbrodzka är biträdande professor vid Radbouduniversitetet i Nederländerna och tillsammans med Iván Martí-Vidal ledare för EHT Polarimetry Working Group.

– Vi har nu fått nästa viktiga ledtråd för att kunna förstå hur magnetiska fält fungerar i närheten av svarta hål, och hur aktiviteten i detta mycket kompakta område i rymden kan ge upphov till energirika jetstrålar som når långt bortom galaxen, säger hon.

Den 10 april 2019 presenterade astronomer den första bilden någonsin av ett svart hål. Den visade en ljus ringliknande struktur med ett mörkt centralområde - det svarta hålets “skugga”. Sedan dess har EHT-konsortiet dykt djupare i datan, som samlades in 2017. De har nu upptäckt att en avsevärt del av ljuset från området kring det svarta hålet i M87 är polariserat.

Iván Martí-Vidal är GenT Distinguished Researcher vid Valencias universitet i Spanien, och är även han ledare för EHT Polarimetry Working Group.

– Detta arbete är en viktig milstolpe: det polariserade ljuset bär på information som gör det möjligt för oss att bättre förstå fysiken bakom den bild vi såg i april 2019. Att beräkna denna nya bild av polarisationen tog flera år i anspråk på grund av de komplicerade tekniker som krävdes för att samla in och analysera datan, säger han.

Vanligt ljus polariseras när det passerar genom speciella filter, som polariserade solglasögon, eller när det strålar ut från heta områden i rymden som omges av magnetfält. På ett sätt som är analogt med att solglasögonen gör det möjligt att se detaljer genom reducera ljusstarka reflektioner från ljusa objekt, kan astronomerna få bättre insyn i området kring ett svart hål genom att studera dess polariserade strålning. Med polarisationen blir det möjligt att kartlägga hur de magnetiska fältlinjerna fördelar sig i rymden vid gränsen till det svarta hålet.

– De nya bilderna över polarisationen hjälper oss att förstå hur magnetfältet styr hur material faller in i det svarta hålet och hur det kan skapa energirika jetstrålar, säger Andrew Chael, medlem i EHT-konsortiet och NASA Hubble Fellow vid Princeton Center for Theoretical Science och Princeton Gravity Initiative i USA.

– Polarisationslinjernas styrka har att göra med magnetfältets styrka. Men det finns också andra faktorer vi måste ta hänsyn till när vi beräknar hur magnetfältets struktur ser ut, som turbulensen i gasen och teleskopets förmåga att urskilja detaljer. Allt detta ingår i våra modeller, förklarar Iván Martí-Vidal.

De ljusa jetstrålarna av energi och materia som utgår från M 87:s kärna sträcker sig minst 5 000 ljusår bort och är en av galaxens mest svårförstådda och energirika fenomen. Det mesta av materialet som befinner sig nära gränsen till det svarta hålet faller in i det, men vissa partiklar lyckas fly undan i sista ögonblicket och kastas istället ut från området i form av jetstrålar.

Det finns flera modeller för hur materia beter sig nära det svarta hålet. Astronomerna vet ännu inte hur jetstrålarna, som kan vara längre än hela galaxen, kan kastas ut från ett centralt område lika stort som solsystemet, eller hur materia faller in i det svarta hålet. Den nya EHT-bilden ger en första möjlighet att studera området precis utanför det svarta hålet och samverkan mellan infallande och utkastad materia.

Forskarna fann också att de enda teoretiska modellerna som kunde förklara strukturen i det polariserade ljuset baserades på het och starkt joniserad gas som lätt fångas upp av starka magnetiska fält.

– Observationerna indikerar att det magnetiska fältet vid det svarta hålets kant är starkt nog att motverka att den heta gasen dras in i det svarta hålet av den starka gravitationen, förklarar Jason Dexter, biträdande professor vid University of Colorado Boulder, USA, och ledare för EHT Theory Working Group.

Materian i de relativistiska jetstrålar som uppstår vid det svarta hålet avlägsnar sig från området genom att energi överförs till partiklarna från det svarta hålet, berättar Iván Martí-Vidal vidare.

– Vi förstår inte detaljerna kring denna process i dag, men vi tror att magnetfältet kan spela en avgörande roll. Genom att studera det polariserade ljuset så nära händelsehorisonten kan vi direkt testa förutsägelserna från våra olika modeller av hur materia faller in i och lämnar det svarta hålet i form av jetstrålar, säger han.

För att observera det svarta hålet i centrum av M87 kopplade astronomerna samman åtta radioteleskop världen över för att skapa ett virtuellt teleskop, EHT, som är lika stort som jorden.

I EHT ingår bland annat teleskopen ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) och APEX (Atacama Pathfinder Experiment), i norra Chile. Sverige deltar i båda som medlemsland i det Europeiska sydobservatoriet ESO, och i APEX där Onsala rymdobservatorium är en partner.

Den fantastiska upplösning som nås med EHT kan jämföras med storleken på ett kreditkort på månens avstånd.

Ciska Kemper är European ALMA Programme Scientist vid ESO.

– Med ALMA och APEX, som genom sitt sydliga läge dramatiskt utökar storleken på det virtuella EHT-teleskopet, kunde europeiska forskare spela en central roll i forskningsprojektet. Med dess 66 antenner dominerar ALMA helt förmågan att samla in polariserat ljus, medan APEX har varit en kritisk komponent för att kalibrera bilden, säger hon.​

– ALMA-data var också nödvändiga för att kalibrera, avbilda och förklara EHT-observationerna genom att bidra med strikta gränsvärden för de teoretiska modellerna, som förklarar hur materia beter sig nära det svarta hålets händelsehorisont, kompletterar Ciriaco Goddi, forskare vid Radbouduniversitetet och Leidens observatorium i Nederländerna, som ledde en parallell studie som enbart baserades på ALMA-observationerna.

Forskningsresultaten publiceras den 24 mars 2021 av EHT-konsortiet i en artikel i tidskriften Astrophysical Journal Letters. Forskningsprojektet har involverat över 300 forskare från ett stort antal organisationer och universitet över hela världen.
– EHT utvecklas snabbt med ny teknik och nya deltagande observatorier. Vi förväntar oss att framtida EHT-observationer kommer att avslöja magnetfältsstrukturen runt det svarta hålet i större detaljrikedom och ge mer information om fysiken hos den heta gasen i området, sammanfattar Jongho Park, medlem i EHT-konsortiet och East Asian Core Observatories Association Fellow vid Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics i Taipei.

Avgörande bidrag från Sverige

Michael Lindqvist, astronom vid Onsala rymdobservatorium vid Chalmers, berättar om det svenska bidraget till forskningen.

– I Onsala har vi sedan 1960-talet varit delaktiga i utvecklingen av den teknik som kallas långbasinterferometri (VLBI) som nu används av EHT. Onsala rymdobservatorium är en av tre partners som driver APEX, ett av teleskopen i EHT-nätverket, och vi har under flera år arbetat tillsammans med våra partners med att bygga upp VLBI-kapaciteten på APEX, säger han.

– Det svenska bidraget till denna forskning har varit betydande, säger Iván Martí-Vidal, som tidigare var verksam vid Onsala rymdobservatorium.

Noggrann kunskap om mätningar med Alma är avgörande för att kunna dra de slutsatser om det supermassiva svarta hålet som nu presenteras, menar Iván Martí-Vidal.

– Onsalaobservatoriet har även ansvarat för kalibreringen av ALMA-data och dess roll som en partner i APEX-teleskopet har varit kritiskt för att kunna beräkna och kalibrera för instrumentpolarisationen som uppstår i ALMA, avslutar han.

Mer om forskningen

Forskningsresultaten presenteras i två artiklar av EHT-konsortiet i tidskriften Astrophysical Journal Letters: "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: 10.3847/2041-8213/abe4de). Kompletterande forskningsresultat 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-konsortiet, som har accepterats för publicering i Astrophysical Journal Letters.

Se ESO:s pressmeddelande för länkar till forskningsartiklarna.

EHT-konsortiet omfattar över 300 forskare i Afrika, Asien, Europa samt Nord- och Sydamerika. Detta internationella samarbete syftar till att ta de mest detaljerade bilderna någonsin av svarta hål genom att skapa ett virtuellt radioteleskop lika stort som jorden. Inom EHT kopplas enskilda teleskop samman för att uppnå en tidigare ouppnådd vinkelupplösning.

Chalmersastronomerna Michael Lindqvist och John Conway (båda vid Onsala rymdobservatorium, Institutionen för rymd-, geo- och miljövetenskap) ingår i forskarlaget.​

I EHT ingår radioteleskopen ALMA och APEX vid ESO, IRAM:s 30-metersteleskop, IRAM:s NOEMA-observatorium, James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope (LMT), Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT), Kitt Peak Telescope samt Greenland Telescope (GLT).

APEX är ett samarbete mellan Max Planck-institutet för radioastronomi, Onsala rymdobservatorium vid Chalmers tekniska högskola och ESO, det Europeiska sydobservatoriet. Drift av Apex vid Chajnantor sköts av ESO.

ALMA är en internationell anläggning för astronomi och ett samarbete mellan Europa, Nordamerika och Ostasien i samverkan med Chile. I Europa stöds ALMA av ESO, i Nordamerika av US National Science Foundation (NSF) i samarbete med Kanadas National Research Council (NRC) samt av Taiwans Nationella vetenskapsråd (NSC), i Ostasien av Nationella instituten för naturvetenskap (NINS) i Japan i samarbete med Academia Sinica (AS) i Taiwan. Konstruktionen och driften av ALMA leds för Europas del av ESO, för Japan av Nationella astronomiska observatoriet i Japan (NAOJ) och för Nordamerika av National Radio Astronomy Observatory (NRAO), som drivs av Associated Universities, Inc. (AUI). Joint ALMA Observatory (JAO) står för övergripande ledning och organisation under konstruktionen, driftsättningen och driften av ALMA.