Czytaj cały tekst - Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej

Czytaj cały tekst - Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej

Gwałtowne rozbłyski wokół czarnej dziury
W artykule, który ukazał się w czasopiśmie Science Express, współpraca MAGIC
przedstawia wyniki obserwacji silnego rozbłysku promieniowania gamma bardzo
wysokich energii z galaktyki o nazwie IC 310. Obserwacje zostały wykonane przy użyciu
dwóch 17-metrowych teleskopów umieszczonych na wyspie La Palma na terytorium
Hiszpanii. Ten sam obiekt był też celem obserwacji europejskiej sieci VLBI (Very Long
Baseline Interferometry, czyli radiowej interferometrii wielkobazowej), które
zobrazowały w wysokiej rozdzielczości strugę materii wypływającą z prędkością bliską
prędkości światła z pobliża supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki IC 310.
Obserwacje promieniowania gamma zapewniają znacznie gorszą rozdzielczość kątową
niż obserwacje radiowe. Jednakże rozbłysk widziany przez teleskopy MAGIC
wykazywał zmienność w czasie rzędu minut, wskazując na pochodzenie emisji z obszaru
mniejszego niż rozmiar czarnej dziury. Naukowcy z współpracy MAGIC przypuszczają,
że emisja ta jest wynikiem przyspieszania cząstek elementarnych w polu elektrycznym
powstającym blisko szybko obracającej się czarnej dziury.
Od lat naukowcy uważają, że w centrach galaktyk znajduje się supermasywna czarna dziura,
nawet o masie kilka miliardów razy większej od masy Słońca. Jedna z takich czarnych dziur
znajduje się w centrum galaktyki IC 310, jednej z galaktyk będących częścią gromady
galaktyk w gwiazdozbiorze Perseusza oddalonej od nas o 260 milionów lat świetlnych.
IC 310 jest zaliczana do grupy tzw. galaktyk z aktywnym jądrem (ang. Active Galactic
Nucleus, AGN), czyli źródłem emitującym promieniowanie w szerokim zakresie energii,
znacznie jaśniejszym niż nasza galaktyka. Ponadto, emisja ta ulega zmianie w różnych
skalach czasowych. Tak jak w przypadku wielu innych obiektów typu AGN, obserwacje
radiowe pokazują rozciągłą strugę materii wydobywającą się z centrum IC 310. Wiemy,
że jest ona relatywistyczna, czyli wystrzeliwana z prędkością bliską prędkości światła.
Obserwujemy ją pod kątem co najmniej 10°. Proces jej powstawania wciąż nie jest w pełni
wyjaśniony. Pomimo że struga jest niesłychanie jasna, promieniująca więcej energii niż
miliardy Słońc, jej źródło jest rozmiarów zaledwie kilkakrotnie większych niż promień orbity
Ziemi wokół Słońca. Niedawne obserwacje gwałtownej zmienności promieniowania gamma
(fotonów podobnych do światła widzialnego, jednakże o energii miliardy razy większej),
widziane przez teleskopy MAGIC, uświadomiły astrofizykom że IC 310 jest znacznie
ciekawsze niż dotychczas myśleli.
Europejska sieć anten radiowych EVN (ang. European VLBI network) otrzymała obraz
IC 310 o wysokiej rozdzielczości wewnętrznej części strugi rozszyfrowując szczegóły jej
struktury aż do rozmiarów rzędu zaledwie roku świetlnego. Obserwacje teleskopów MAGIC,
choć widzą promieniowanie kilkanaście rzędów wielkości bardziej energetyczne niż radiowe,
nie są w stanie dorównać teleskopom radiowym w rozdzielczości kątowej. Jednakże, jeżeli
emisja jest zmienna, rozmiar obszaru z którego ona pochodzi może być oszacowany. „Prawa
fizyki wskazują, że żaden obszar nie może rozbłysnąć szybciej niż w czasie, którego
potrzebowałoby światło żeby go przekroczyć”, wyjaśnia dr Julian Sitarek, pracownik
Katedry Astrofizyki WFIS UŁ analizujący dane obserwacyjne z IC 310. Lata badań nad
obiektami typu AGN wskazały, że są one najszybciej zmienne w zakresie promieniowania
gamma wysokich energii, więc te właśnie obserwacje stanowią klucz do zrozumienia zagadki
powstawania relatywistycznych strug w aktywnych galaktykach. Niedawne obserwacje
za pomocą teleskopów MAGIC pokazały, że IC 310 zmienia swoją emisję w czasie zaledwie
5 minut. Dorit Eisenacher Glawion, doktorantka pracująca nad IC 310 w Uniwersytecie
w Würzburgu, stwierdza: „Ponieważ supermasywna czarna dziura w IC 310 jest 3 razy
większa od promienia orbity ziemskiej, odkrycie emisji gamma zmiennej w czasie
odpowiadającym jednej piątej rozmiaru czarnej dziury było dla nas ogromnym
zaskoczeniem”.
Naukowcy podejrzewają że relatywistyczne strugi są zasilane przez energię ruchu
obrotowego supermasywnych czarnych dziur. „Możemy bezpośrednio obrazować
te niewielkie obszary dzięki technice zwanej radiową interferometrią wielkobazową, używaną
przez sieć teleskopów radiowych EVN”, wyjaśnia Robert Schulz, doktorant pracujący
w centrum naukowym Erlangen-Würzburg. Większość obserwacji aktywnych galaktyk
w różnych zakresach energii da się opisać jako wynik przyspieszania cząstek na falach
uderzeniowych wewnątrz strug. Jednakże model ten nie jest w stanie wytłumaczyć
zmienności szybszej niż czas jaki potrzebuje światło, żeby przebyć dystans rzędu rozmiaru
czarnej dziury u podstawy strugi, szczególnie w przypadku strug nachylonych pod dużym
kątem do kierunku patrzenia obserwatora na Ziemi. Obserwacje MAGIC-a wymagają więc
zupełnie nowego spojrzenia na emisję promieniowania w IC 310.
Modele teoretyczne wskazują, że w sprzyjających warunkach w niewielkich obszarach
w pobliżu szybko obracającej się czarnej dziury, ciągnącej za sobą pole magnetyczne, może
powstać także silne pole elektryczne. W polu tym mogą być przyspieszane cząsteczki
do energii przewyższających dziesiątki tysięcy razy energie spoczynkową elementarnych
cząstek materii protonów i neutronów. Zatem obserwacje IC 310 mogą być ważnym krokiem
w kierunku zrozumienia procesów tworzenia zagadkowych strug materii w pobliżu supermasywnych czarnych dziur w aktywnych galaktykach.
Te zdumiewające rezultaty badań współpracy teleskopów MAGIC i EVN zostały
opublikowane w czasopiśmie Science Express 6 listopada 2014:
http://www.sciencemag.org/content/early/2014/11/05/science.1256183.full.
Według Razmika Mirzoyana z Max Planck Institut für Physik w Monachium: „Odkrycie tak
szybkiej zmienności przy tych energiach pozwala nam badać regiony w pobliżu masywnych
czarnych dziur w aktywnych galaktykach, z których przypuszczalnie pochodzi emisja
promieniowania. Współpraca MAGIC była w stanie osiągnąć ten i inne ważne wyniki dzięki
doskonałej czułości teleskopów MAGIC, ich niskiemu progowi energetycznemu i szerokiemu
zakresowi obserwowanego promieniowania”.
Eksperyment MAGIC jest umiejscowiony w Roque de los Muchachos European North
Observatory (2200 m n.p.m.) na wyspie kanaryjskiej La Palma w Hiszpani. Układ dwóch
teleskopów MAGIC, każdy z 17-metrową średnicą zwierciadła, jest w stanie mierzyć
ze źródeł pozaziemskich promieniowanie o energii fotonów 25 miliardów do 50 bilionów
razy większej niż energia fotonów światła widzialnego. Fotony gamma wpadając w ziemską
atmosferę produkują pęki wtórnych cząstek, które emitują nanosekundowe, słabe błyski
światła ultrafioletowego, tzw. promieniowanie Czerenkowa. Teleskopy MAGIC ogniskując
promieniowanie Czerenkowa na kamerze robią zdjęcia indywidualnych pęków, których
analiza pozwala określić pochodzenie i energie pierwotnych fotonów gamma.
MAGIC został zbudowany w wyniku współpracy około 160 naukowców pracujących
w instytutach naukowych w Niemczech, Hiszpanii, Włoszech, Polsce, Szwajcarii, Finlandii,
Bułgarii, Chorwacji, Indiach oraz Japonii.
Grupa naukowców z Katedry Astrofizyki Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej,
Uniwersytetu Łódzkiego (Włodzimierz Bednarek, Wojciech Idec, Andrzej Niedźwiecki,
Julian Sitarek, Dorota Sobczyńska) bierze aktywny udział w tej współpracy
od momentu jej powstania (od około dziesięciu lat).
Więcej informacji na temat teleskopów MAGIC znajduje się na stronie internetowej
https://wwwmagic.mpp.mpg.de/.
EVN: europejska sieć VLBI jest wspólnym przedsięwzięciem instytutów astronomicznych
m.in. z Europy, Chin i RPA, wspieranym przez narodowe rady badań naukowych w tych
krajach. Obserwacje IC 310 zostały wykonane przy użyciu 100-metrowego teleskopu
radiowego Effelsberg eksploatowanego przez Max Planck Institut für Radioastronomie.
Więcej informacji na temat projektu EVN znajduje się na stronie internetowej:
http://www.evlbi.org/.
Kontakt:
prof. Włodzimierz Bednarek (Katedra Astrofizyki, UŁ, [email protected]);
dr Julian Sitarek (Katedra Astrofizyki UŁ, obecnie IFAE, Hiszpania, [email protected]),
tel.: +34 931 75 1511.
Obrazy:
Rys. 1: IC 310
Rys. 2: Mapa obszaru nieba w kierunku IC 310 w gromadzie galaktyk w Perseuszu
zaobserwowana przez teleskopy MAGIC 12 listopada 2012 (skala barw odpowiada
strumieniowi emisji z danego kierunku). Jasne źródło punktowe po prawej stronie to
obraz emisji gamma z IC 310. Kształt obszaru emisji nie jest znany z powodu
ograniczonej rozdzielczości teleskopów MAGIC. Wewnętrzny panel pokazuje
obserwacje radiowe wykonane przez EVN dwa tygodnie później. Obserwacje radiowe
mają 580 000 razy lepszą rozdzielczość kątowa niż obserwacje teleskopów MAGIC i
są w stanie określić strukturę obszaru emisji. Kontury i skala barw ukazują strukturę
strugi wyrzuconej z okolicy supermasywnej czarnej dziury.
Wykorzystana ilustracja: MAGIC i EVN.
Rys. 3: