Tähtitieteilijät kuvasivat ensimmäistä kertaa yhtä aikaa mustan aukon varjon ja aukon synnyttämän suihkun galaksin Messier 87 ytimessä

GMVA teleskooppiverkoston ottama kuva galaksin M87 mustan aukon varjosta (pieni kuva) ja suihkusta. VLBI-tekniikkaa käyttävissä havainnoissa oli mukana myös Aalto-yliopiston Metsähovin radio-observatorio. 

Kuva osoittaa supermassiivisen mustan aukon lähellä olevan kertymävirran ja suihkun alkuperän välistä yhteyttä. Uudet havainnot tehtiin Global Millimeter VLBI Array –teleskooppiverkostolla (GMVA), jonka havaintoja täydennettiin Chilessä sijaitsevalla ALMA-antennistolla sekä Grönlannin GLT-teleskoopilla. Näiden kahden observatorion lisääminen paransi merkittävästi GMVA:n kuvanlaatua.

Havainnot julkaistiin tänään arvostetussa Nature-tiedelehdessä.

”Aiemmin olimme nähneet sekä mustan aukon että suihkun erillisissä kuvissa, mutta nyt olemme ottaneet panoraamakuvan mustasta aukosta yhdessä siitä lähtevän suihkun kanssa käyttäen uutta aallonpituutta”, kertoo Ru-Sen Lu Shanghain tähtitieteellisestä observatoriosta ja Max Planck -tutkimusryhmän johtaja Kiinan tiedeakatemiassa.

Mustaa aukkoa ympäröivän materian uskotaan putoavan aukkoon niin kutsutussa kertymäprosessissa. Kukaan ei ole kuitenkaan koskaan aiemmin saanut kuvaa tästä.

”Aiemmin näkemämme rengas on suurempi ja paksumpi kuvattuna 3,5 millimetrin aallonpituudella. Tämä osoittaa, että mustaan aukkoon putoava materia tuottaa ylimääräistä säteilyä, joka näkyy kuvassa. Nyt saamme täydellisemmän kuvan mustan aukon ympärillä toimivista prosesseista”, hän lisää.

ALMA:n ja GLT:n osallistuminen havaintoihin paransi merkittävästi teleskooppiverkoston erotuskykyä ja herkkyyttä, mikä mahdollisti M87:n rengasmaisen rakenteen kuvaamisen ensimmäistä kertaa 3,5 millimetrin aallonpituudella. GMVA:n mittaama renkaan halkaisija on 64 mikrokaarisekuntia, mikä vastaa pienen, 13 senttimetrin, rengasvalon halkaisijaa Kuun etäisyydellä. Nyt kuvattu rengas on halkaisijaltaan 50 prosenttia suurempi kuin rengas Event Horizon Telescope -tutkijaryhmän 1,3 millimetrin havainnoissa, mikä vastaa odotuksia aukkoa ympäröivän kuuman plasman säteilylle. 

”ALMA:n ja GLT:n lisääminen GMVA-verkostoon antoi meille uuden näkymän. Tiesimme jo aikaisempien VLBI-havaintojen perusteella, että M87:ssä on suihku, mutta nyt näemme, mistä se tulee”, sanoo tiimin jäsen Thomas Krichbaum Bonnin Max Planck -instituutista. 

”Näemme, kuinka suihku tulee esiin supermassiivista mustaa aukkoa ympäröivästä säteilyrenkaasta ja voimme mitata renkaan halkaisijan myös toisella aallonpituudella.

Metsähovin radio-observatorio mukana havainnoissa

Aalto-yliopiston Metsähovin radio-observatorion 14-metrinen radioteleskooppi oli yksi asemista, joka teki havaintoja uutta kuvaa varten.

Aalto-yliopiston vanhempi tutkija Tuomas Savolainen kertoo, että Metsähovin radio-observatorio on osallistunut GMVA-mittausprojekteihin jo yli vuosikymmenen ajan ja ylipäätään VLBI-havaintoihin 3,5 millimetrin aallonpituudella aina 1990-luvun puolivälistä saakka.

"Metsähovin radioteleskooppimme oli yksi viidestä asemasta Euroopassa, jotka osallistuivat näihin havaintoihin vuonna 2018. Radioteleskooppeja, jotka mittaavat 3,5 mm:n aallonpituudella, ei ole kovin paljon, mikä tekee Metsähovissa kerätystä datasta arvokasta", hän sanoo.

"Event Horizon Telescope -yhteistyöhankkeen ottamassa kuvassa näkyi mustan aukon varjo M87:ssä, mutta nuo havainnot eivät pystyneet näkemään heikompaa ja laajempaa suihkua, koska niihin osallistui vain pieni määrä teleskooppeja. 1,3 millimetrin aallonpituudella havainnointikykyisiä teleskooppeja on itse asiassa vielä vähemmän kuin 3,5 millimetrin aallonpituudella”, Savolainen sanoo.

Musta aukko ei ole kovin nälkäinen

M87:n mustan aukon ympäriltä tuleva säteily johtuu korkeaenergisten elektronien ja magneettikenttien välisestä vuorovaikutuksesta. Uudet 3,5 millimetrin aaltopituudella tehdyt havainnot kertovat näiden säteilevien elektronien sijainnista ja energiajakaumasta. Ne kertovat myös jotain itse mustan aukon luonteesta: se ei ole kovin nälkäinen. Siihen putoaa ainetta sangen hitaasti ja vain pieni osa tuosta aineesta muuttuu säteilyksi.

”Jotta ymmärsimme isomman ja paksumman renkaan fyysisen alkuperän, meidän piti käyttää tietokonesimulaatioita eri skenaarioiden testaamiseen. Tulos osoitti, että renkaan suurempi koko liittyy kertymävirtaan”, selittää Keiichi Asada tähtitieteen ja astrofysiikan instituutista Academia Sinica Taipeista Taiwanista.

”Löysimme havainnoistamme myös jotain yllättävää: mustan aukon läheisyydestä tuleva säteily on odotettua laajempaa. Tämä voi tarkoittaa, että sisään virtaavan kaasun lisäksi kertymävirrasta saattaa puhaltaa ulos tuuli, joka aiheuttaa turbulenssia ja kaaosta mustan aukon ympärillä”, lisää Kazuhiro Hada Japanin kansallisesta tähtitieteellisestä observatoriosta.

Tutkimustyö Messier 87:n parissa jatkuu, ja tutkijat valmistautuvat löytämään lisää tietoa tästä kiehtovasta kosmisesta kokonaisuudesta. ”Tulevat havainnot millimetriaallonpituuksilla tutkivat M87:n mustan aukon muuttuvuutta ja tarjoavat monivärinäkymän yhdistämällä useilla radioaallonpituuksilla otettuja kuvia” selittää Jongho Park Korean tähtitieteen ja avaruustieteen instituutista.

Osa näistä uusista havainnoista tapahtuu jo tänä keväänä ja Metsähovin radio-observatorio on myös niissä mukana.

”3,5 millimetriä on tällä hetkellä lyhin aallonpituus, jolla toimimme, ja havainnot edellyttävät hyviä, kuivia sääolosuhteita. Onneksi huhtikuussa täällä Kirkkonummella Suomessa on usein hyvä sää. Parin vuoden kuluttua saamme radioteleskooppiimme uuden vastaanottimen, jolla voimme tehdä havaintoja samanaikaisesti laajalla aallonpituusalueella. Silloin pystymme paremmin korjaamaan ilmakehän aiheuttamia vääristymiä havainnoissa ja saamaan entistä laadukkaampia kuvia”, Metsähovin radio-observatorion käyttöinsinööri Petri Kirves sanoo.

Artikkeli on julkaistu Nature-lehdessä 26. huhtikuuta 2023 ja on luettavissa verkossa tästä linkistä  

Lisätietoa:

Tuomas Savolainen
vanhempi tutkija, Senior Scientist
Aalto-yliopisto Metsähovin radio-observatorio, Elektroniikan ja nanotekniikan laitos
[email protected]    
Puh. 050 308 3696