Odhalena superhmotná černá díra ukrytá v prachovém prstenci

Tisková zpráva Evropské jižní observatoře (ESO2203, 16. února 2022)

V srdci některých galaxií se nacházejí aktivní jádra (Active galactic nuclei, AGNs), která jsou mimořádně vydatnými zdroji energie. Její produkci pohání superhmotná černá díra přitahující obrovské množství prachu a plynu. Předtím, než je hmota pohlcena, sestupuje po spirále směrem do černé díry. Přitom uvolňuje značné množství energie a často tak přezáří všechny hvězdy mateřské galaxie.      

Od 50. let 20. století, kdy byly tyto jasně zářící objekty objeveny, představují aktivní jádra galaxií pro astronomy výzvu. Nyní se týmu vědců pod vedením Violety Gámez Rosas (Leiden University, Nizozemí) podařilo díky interferometru VLTI (Very Large Telescope Interferometer) dosáhnout klíčového pokroku, který umožní pochopit, jak tyto objekty fungují a jak vypadají zblízka. Výsledky studie byly publikovány v prestižním vědeckém časopise Nature.     

Při mimořádně detailním pozorování centra galaxie M77 (Messier 77, NGC 1068) členové týmu detekovali hustý prstenec prachu a plynu, který černou díru zcela zakrývá. Objev poskytl důkazy ukazující na správnost 30 let staré teorie, která je známá jako standardní model aktivních galaktických jader (Unified Model of AGNs). 

Astronomové rozlišují tři různé typy aktivních galaktických jader. Některá například vysílají pulsy rádiového záření, jiná jasně září ve viditelném světle anebo jsou naopak našemu pohledu skryta, podobně jako to v centru galaxie M77. Standardní model však předpokládá, že přes tyto vnější rozdíly mají všechna aktivní galaktická jádra stejnou strukturu: jedná se o superhmotnou černou díru obklopenou hustým prstencem prachu.

Podle tohoto modelu vznikají veškeré rozdíly ve vzhledu aktivních jader galaxií díky různé orientaci, ve které ze Země pozorujeme černou díru a její prstenec. Typ jádra, který vidíme, závisí na tom, jak výrazně z našeho úhlu pohledu prstenec zakrývá černou díru, přičemž v některých případech ji může zcela zahalit. 

Astronomové již v minulosti nalezli řadu indicií podporujících tento standardní model včetně objevu teplého prachu v centru galaxie M77. Stále však panovaly pochyby, zda takový oblak může zcela zahalit černou díru a vysvětlit tím, proč toto aktivní jádro září ve viditelném světle méně než jiná. 

„Skutečná povaha oblaků prachu i jejich role jednak při zásobování černé díry hmotou, ale také při utváření výsledného vzhledu objektu pozorovaného ze Země, byly jedněmi z hlavních otázek výzkumu aktivních galaktických jader v posledních třiceti letech,“ vysvětluje Violeta Gámez Rosas. „I když jeden výsledek nedokáže odpovědět na všechny naše otázky, udělali jsme důležitý krok k pochopení toho, jak aktivní jádra fungují.“

Pozorování byla provedena pomocí zařízení MATISSE (Multi AperTure mid-Infrared SpectroScopic Experiment) pro interferometr VLTI pracující na Observatoři Paranal v chilské poušti Atacama. Přístroj MATISSE technikou interferometrie zkombinoval infračervené paprsky sesbírané všemi čtyřmi dalekohledy ESO/VLT (Very Large Telescope) se zrcadly o průměru 8,2 m. Členové týmu ho využili k detailnímu průzkumu centra galaxie M77, která se nachází 47 milionů světelných let od nás, a na obloze ji naleznete v souhvězdí Velryby. 

„MATISSE dokáže pracovat v široké oblasti infračerveného záření, což nám umožňuje částečně prohlédnout prachovými oblaky a přesně měřit teplotu. A jelikož VLTI je skutečně velký interferometr, měli jsme k dispozici rozlišení, které umožňuje detailně zkoumat i objekty v tak vzdálených galaxiích, jako je M77. Snímky, které jsme získali, podrobně zachycují změny teploty a pohlcování záření oblakem prachu obklopujícím černou díru,“ popisuje spoluautor práce, profesor Walter Jaffe (Leiden University).     

Kombinace pozorovaných změn teploty prachu (v rozmezí od pokojové teploty až do 1200 °C) způsobených intenzivním zářením přicházejícím z okolí černé díry s mapami absorpce členům týmu umožnila rekonstruovat detailní pohled na oblak prachu a určit, kde se musí nacházet černá díra. Uspořádání, kde prach tvoří hustý vnitřní disk a rozsáhlejší vnější disk okolo černé díry ležící uprostřed, podporuje standardní model. K rekonstrukci výsledného záběru členové týmu využili také data získaná observatořemi ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), jejímž evropským partnerem je ESO, a NRAO-VLBA (National Radio Astronomy Observatory’s Very Long Baseline Array).

„Výsledky naší práce by měly přinést lepší pochopení vnitřních procesů probíhajících v aktivních galaktických jádrech,“ dodává Violeta Gámez Rosas. „Také by mohly pomoci lépe porozumět vývoji naší Galaxie, protože ta má také ve svém středu superhmotnou černou díru, která mohla být v minulosti aktivní.“ 

Vědci nyní očekávají, že budou moci použít interferometr VLTI k nalezení dalších důkazů správnosti standardního modelu aktivních galaktických jader u většího množství galaxií.  

Bruno Lopez (Observatoire de la Côte d’Azur, Nice), člen vědeckého týmu a vedoucí skupiny přístroje MATISSE, k tomu dodává: „M77 je významným prototypem galaxie s aktivním jádrem a pro nás představuje také velkou motivaci k rozšíření pozorovacího programu a další optimalizaci přístroje MATISSE tak, aby byl schopen prozkoumat rozsáhlejší vzorek aktivních galaktických jader.“

Budovaný velký dalekohled ESO/ELT (Extremely Large Telescope), který by měl zahájit vědecká pozorování ve druhé polovině tohoto desetiletí, se rovněž připojí k pátrání. Přinese informace, které doplní výsledky této práce a umožní vědcům zkoumat interakci mezi galaxiemi a jejich aktivními jádry.

Další informace

Výzkum byl prezentování v článku „Thermal imaging of dust hiding the black hole in the Active Galaxy NGC 1068“ (doi: 10.1038/s41586-021-04311-7), který byl publikován v časopise Nature.

Složení týmu: Violeta Gámez Rosas (Leiden Observatory, Leiden University, Nizozemí [Leiden]), Jacob W. Isbell (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Německo [MPIA]), Walter Jaffe (Leiden), Romain G. Petrov (Université Côte d’Azur, Observatoire de la Côte d’Azur, CNRS, Laboratoire Lagrange, Francie [OCA]), James H. Leftley (OCA), Karl-Heinz Hofmann (Max Planck Institute for Radio Astronomy, Bonn, Německo [MPIfR]), Florentin Millour (OCA), Leonard Burtscher (Leiden), Klaus Meisenheimer (MPIA), Anthony Meilland (OCA), Laurens B. F. M. Waters (Department of Astrophysics/IMAPP, Radboud University, Nizozemí; SRON, Netherlands Institute for Space Research, Nizozemí), Bruno Lopez (OCA), Stéphane Lagarde (OCA), Gerd Weigelt (MPIfR), Philippe Berio (OCA), Fatme Allouche (OCA), Sylvie Robbe-Dubois (OCA), Pierre Cruzalèbes (OCA), Felix Bettonvil (ASTRON, Dwingeloo, Nizozemí [ASTRON]), Thomas Henning (MPIA), Jean-Charles Augereau (Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Institute for Planetary sciences and Astrophysics, Francie [IPAG]), Pierre Antonelli (OCA), Udo Beckmann (MPIfR), Roy van Boekel (MPIA), Philippe Bendjoya (OCA), William C. Danchi (NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, USA), Carsten Dominik (Anton Pannekoek Institute for Astronomy, University of Amsterdam, Nizozemí [API]), Julien Drevon (OCA), Jack F. Gallimore (Department of Physics and Astronomy, Bucknell University, Lewisburg, Pennsylvania, USA), Uwe Graser (MPIA), Matthias Heininger (MPIfR), Vincent Hocdé (OCA), Michiel Hogerheijde (Leiden; API), Josef Hron (Department of Astrophysics, University of Vienna, Rakousko), Caterina M.V. Impellizzeri (Leiden), Lucia Klarmann (MPIA), Elena Kokoulina (OCA), Lucas Labadie (1st Institute of Physics, University of Cologne, Německo), Michael Lehmitz (MPIA), Alexis Matter (OCA), Claudia Paladini (European Southern Observatory, Santiago, Chile [ESO-Chile]), Eric Pantin (Centre d'Etudes de Saclay, Gif-sur-Yvette, Francie), Jörg-Uwe Pott (MPIA), Dieter Schertl (MPIfR), Anthony Soulain (Sydney Institute for Astronomy, University of Sydney, Austrálie [SIfA]), Philippe Stee (OCA), Konrad Tristram (ESO-Chile), Jozsef Varga (Leiden), Julien Woillez (European Southern Observatory, Garching bei München, Německo [ESO]), Sebastian Wolf (Institute for Theoretical Physics and Astrophysics, University of Kiel, Německo), Gideon Yoffe (MPIA) a Gerard Zins (ESO-Chile).

Přístroj MATISSE byl navržen, financován a postaven konsorciem institucí z Francie (J.-L. Lagrange Laboratory — INSU-CNRS — Côte d’Azur Observatory — University of Nice Sophia-Antipolis), Německa (MPIA, MPIfR a University of Kiel), Nizozemí (NOVA a University of Leiden) a Rakouska (University of Vienna) ve spolupráci s ESO. Realizaci přístroje podpořili také Konkoly Observatory a Cologne University.  

Evropská jižní observatoř (ESO) umožňuje vědcům z celého světa objevovat tajemství vesmíru ku prospěchu všech. Navrhujeme, stavíme a provozujeme pozemní observatoře světové úrovně, které astronomové využívají k řešení vzrušujících otázek a šíření fascinace astronomií. Podporujeme mezinárodní spolupráci v astronomii. ESO byla založena jako mezivládní organizace v roce 1962 a dnes ji tvoří 16 členských států  – Belgie, Česko, Dánsko, Finsko, Francie, Irsko, Itálie, Německo, Nizozemsko, Portugalsko, Rakousko, Španělsko, Švédsko, Švýcarsko, Velká Británie – a dvojice strategických partnerů – Chile, která hostí všechny observatoře ESO, a Austrálie. Ústředí ESO, návštěvnické centrum a planetárium ESO Supernova se nachází v blízkosti Mnichova v Německu, zatímco chilská poušť Atacama, úžasné místo s jedinečnými podmínkami pro pozorování oblohy, hostí naše dalekohledy. ESO provozuje tři observatoře: La Silla, Paranal a Chajnantor. Na hoře Paranal jsou to dalekohled VLT (Very Large Telescope) a interferometr VLTI (Very Large Telescope Interferometer), stejně jako dva přehlídkové teleskopy – VISTA pracující v infračervené oblasti a VST (VLT Survey Telescope) pro viditelné světlo. Na Observatoři Paranal bude ESO také hostit a provozovat pole teleskopů CTAS (Cherenkov Telesope Array South) pro detekci Čerenkovova záření v atmosféře – největší a nejcitlivější observatoř gama záření na světě. Společně s mezinárodními partnery provozuje ESO teleskopy pro milimetrovou a submilimetrovou oblast APEX a ALMA pracující na planině Chajnantor. Na hoře Cerro Armazones poblíž Paranalu stavíme nový dalekohled ELT (Extrémně velký dalekohled, Extremly Large Telescope) s primárním zrcadlem o průměru 39 m, který se stane „největším okem lidstva hledícím do vesmíru“. Z našich kanceláří v Santiagu řídíme naši činnost v Chile a spolupráci s místními partnery a veřejností.

Odkazy

• vědecký článek
• snímky dalekohledu VLT/VLTI
• pro novináře: tiskové zprávy pod embargem ve vašem jazyce (REGISTRACE)
• pro vědce: váš článek v tiskové zprávě ESO

Kontakty

Petr Kabáth; národní kontakt; Astronomický ústav AV ČR, 251 65 Ondřejov, Česká republika; Email: eson-czech@eso.org

Jiří Srba; překlad; Email: j.srba@seznam.cz

Violeta Gámez Rosas; Leiden University; Leiden, the Netherlands; Tel.: +31 71 527 5737; Email: gamez@strw.leidenuniv.nl

Walter Jaffe; Leiden University; Leiden, the Netherlands; Tel.: +31 71 527 5737; Email: jaffe@strw.leidenuniv.nl

Bruno Lopez; MATISSE Principal Investigator; Observatoire de la Côte d’ Azur, Nice, France; Tel.: +33 4 92 00 30 11; Email: Bruno.Lopez@oca.eu

Romain Petrov; MATISSE Project Scientist; Observatoire de la Côte d’ Azur, Nice, France; Tel.: +33 4 92 00 30 11; Email: Romain.Petrov@oca.eu

Bárbara Ferreira; ESO Media Manager; Garching bei München, Germany; Tel.: +49 89 3200 6670; Mobil: +49 151 241 664 00; Email: press@eso.org

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Tisková zpráva ESO2203 - 16. února 2022