Första bilden på det svarta hålet mitt i Vintergatan

– Nu får vi för första gången se det svarta hålet i mitten av vår galax, Vintergatan. Det är långt närmare oss än dess motsvarighet i M87, som vi kunde se i den förra bilden. Vi vet också mer om Vintergatans svarta hål än något annat svart hål. Den här bilden sätter våra teorier om rummets och tidens natur på prov. Det är en spännande tid att få arbeta med naturvetenskap! säger Michael Lindqvist, astronom på Chalmers institution för rymd, geo- och miljövetenskap. Han är en del av det stora forskningssamarbetet, tillsammans med kollegan John Conway vid Onsala rymdobservatorium samt Chiara Ceccobello, forskare vid avdelningen för Astronomi och plasmafysik.​

Bilden ger en efterlängtad inblick i det massiva objekt som befinner sig i centrum av vår galax. Forskare har tidigare observerat stjärnor som rör sig kring ett osynligt, kompakt och mycket massivt objekt i centrum av Vintergatan. Resultaten pekade starkt på att detta objekt - känt som Sagittarius A* (Sgr A*) – är ett svart hål, och dagens bild utgör det första direkta beviset för detta.

Fyra miljoner mer massivt än solen

Även om vi inte kan se det svarta hålet självt, eftersom det är helt svart, avslöjar lysande gas i dess omgivning avgörande ledtrådar: en central mörk region (en så kallad skugga) omgiven av en ljus ringlik struktur. Den nya bilden fångar ljus som böjts av det kraftiga gravitationsfältet kring det svarta hålet, som är fyra miljoner gånger mer massivt än solen.

– Vi överraskades av hur väl storleken på denna ring överensstämde med förutsägelsen från Einsteins allmänna relativitetsteori, säger Geoffrey Bower, forskare vid EHT-projektet vid Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taipei.

– Dessa oöverträffade observationer har starkt förbättrat vår förståelse för processerna i centrum av vår galax och ger nya insikter om hur dessa jättelika svarta hål samverkar med omgivningen”. EHT-kollaborationens resultat publiceras i dag i ett specialnummer av tidskriften Astrophysical Journal Letters.

Eftersom det svarta hålet är beläget på 27 000 ljusårs avstånd är dess skenbara storlek på himlen extremt liten – densamma som en vaniljmunk sedd på månens avstånd. För att avbilda objektet byggde forskarna upp EHT genom att koppla samman åtta radioteleskop för att att skapa en kraftfullt virtuellt teleskop lika stort som jorden. EHT observerade Sgr A* under ett flertal nätter 2017 då det samlade data flera timmar i sträck, analogt med en långtidsexponering med en kamera.

I EHT:s nätverk ingår bland andra två teleskop med starka band till Chalmers, APEX (Atacama Pathfinder EXperiment) och ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), båda i Atacamaöknen i Chile.

APEX är ett samarbetsprojekt mellan Onsala rymdobservatorium, ESO och Max Planck-institutet för radioastronomi. Onsala rymdobservatorium och Chalmers har varit med i ALMA-projektet sedan starten, och Chalmers har levererat mottagare till båda teleskop.

Denna framgång för EHT följer efter den första bilden av ett svart hål, M87*, i centrum av den mer avlägsna galaxen M87 som publicerades 2019.

Olika stora, men lika på bild

De två svarta hålen är häpnadsväckande lika, även om Vintergatans svarta hål är endast en tusendel av M87* . “Randregionerna i dessa två svarta hål av vitt skilda massor i helt olika galaxer är anmärkningsvärt lika varandra” säger Sera Markoff, ordförande vid EHT Science Council och professor i teoretisk astrofysik vid Amsterdams universitet i Nederländerna. “Detta säger oss att relativitetsteorin styr dessa objekts utseende på nära håll, och att alla olikheter på större avstånd måste bero på skillnader i det material som omger de svarta hålen.”

Bedriften att avbilda Sgr A* är betydligt större än för M87*, även om Sgr A* ligger mycket närmare. EHT-forskaren Chi-kwan (‘CK’) Chan vid Stewardobservatoriet och Department of Astronomy and the Data Science Institute vid University of Arizona, USA, förklarar:

– Gasen nära de svarta hålen rör sig med samma hastighet – nästan lika fort som ljuset – kring både Sgr A* och M87*. Men medan gasen tar många dygn eller veckor att röra sig runt det större M87* är omloppstiden kring Sgr A* bara några minuter. Detta innebär att ljusstyrkan och gasstrukturen hos Sgr A* förändrades snabbt och kontinuerligt under EHT-observationerna – det var lite grann som att försöka få en skarp bild av en hundvalp som jagar sin egen svans.

Av denna anledning behövde forskarna utveckla nya metoder som tog hänsyn till gasrörelsen kring Sgr A*. M87* var ett enklare, mer stabilt mål, där alla bilder var närmast identiska, men Sgr A* var något helt annat. Bilden av det svarta hålet Sgr A* är därför ett medelvärde av de olika bilder som forskarlaget producerade, och avslöjar för första gången avslöjar den jätten som gömmer sig i galaxens centrum.

300 forskare i samarbete

Resultatet var möjligt att nå tack vare idérikedomen hos de 300 deltagande forskarna från de 80 instituten världen över, som tillsammans utgör EHT-kollaborationen. Utöver konstruktionen av komplexa verktyg för att tolka data av Sgr A* arbetade forskarna intensivt i fem års tid för att med superdatorer kombinera och analysera informationen. Detta gjordes bland annat genom att bygga upp ett unikt bibliotek av simulerade svarta hål att jämföra med observationerna.

Forskarna är särkilt upprymda över att nu ha bilder av två svarta hål med drastiskt olika massor, vilket ger möjlighet att förstå deras skillnader och likheter. De har också börjat använda den nya informationen för att testa teorier och modeller för hur gas beter sig runt supermassiva svarta hål. Denna process känner man ännu inte helt till, men den tros spela en avgörande roll för hur galaxer bildas och utvecklas.

– Nu kan vi studera skillnaderna mellan dessa två supermassiva svarta hål för att få ny kunskap om hur denna process fungerar, säger EHT-forskaren Keiichi Asada vid Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taipei.

– Vi har två bilder av svarta hål – ett av de största och ett av de minsta supermassiva svarta hålen vi känner till i universum – vilket betyder att vi på ett bättre sätt än någonsin tidigare kan testa hur gravitationen beter sig i dessa extrema miljöer.

Flera Chalmersforskare deltar

– Det är tack vare långsiktiga satsningar på vetenskaplig infrastruktur i Sverige och runt om i världen som vi har kunnat erhålla den här underbara bilden. På Chalmers och Onsala rymdobservatorium är vi stolta över att ha levererat instrument och expertis till teleskopen APEX och ALMA, utan vilka denna bild inte hade varit möjlig, säger John Conway, föreståndare för Onsala rymdobservatorium.

EHT utvecklas kontinuerligt: vid en stor observationskampanj i mars 2022 deltog fler teleskop än någonsin tidigare. Den pågående expansionen av EHT-nätverket, liksom betydande tekniska framsteg, kommer att göra det möjligt för forskarna att snart producera än mer imponerande bilder och även filmer av de svarta hålen.

Mer information

Forskningsresultaten presenterades den 12 maj 2022 i sex artiklar i tidskriften Astrophysical Journal Letters.
Länk till forskningsartiklarna: https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_First_Sgr_A_Results

För högupplösta bilder, se pressmeddelandet hos ESO: https://www.eso.org/public/sweden/news/eso2208-eht-mw/