Det første bildet av galaksens supermassive sorte hull, utgitt tidligere denne månedenhar allerede begynt å forklare noen varige mysterier om hjertet av Melkeveien.
Rammen av ny informasjon om det sorte hullet, kalt Sagittarius A*, føyer seg sammen med mange andre bevislinjer som nå maler et detaljert bilde av Galactic Centre. Samlet antyder resultatene at Skytten A* suger inn materie i sakte tempo, noe som gjør den uvanlig svak sammenlignet med de sentrale sorte hullene i andre galakser. Observasjonene antyder også at Skytten A* kunne ha vært spektakulært aktiv for bare noen få millioner år siden. I mellomtiden reiser de siste dataene nye spørsmål om noen av de største strukturene som er sett i og rundt Melkeveien.
Bildet, utgitt av Event Horizon Telescope (EHT)-samarbeidet 12. mai, var høydepunktet i et sett med ti artikler i en spesialnummer av Astrofysiske journalbrev1. Men de underliggende dataene, samlet inn i 2017, inneholder mye mer informasjon som forskerne fortsatt går igjennom, sier EHT-medlem Sera Markoff, en teoretisk astrofysiker ved Universitetet i Amsterdam. “Dette er som himmelen” for astrofysikere, sier hun.
Bildet viser en glødende ring av radiostråling rundt en mørk skygge. Denne skyggen ligger like utenfor det sorte hullets hendelseshorisont – den immaterielle sfæren som markerer et punkt uten retur for alt som krysser den. Detaljert analyse av EHT-dataene har nå bekreftet mange aspekter ved teoretiske og datamodeller som beskriver hvordan den glødende ringen er produsert.
Når materie spiraler inn i det sorte hullet med nesten lysets hastighet, danner den en “akkresjonsskive” som sender ut stråling over det elektromagnetiske spekteret, inkludert radiobølger som EHTs teleskoper kan oppdage. Dataene deres viser at akkresjonsskiven er mer formet som en oppblåst smultring enn en flat pannekake. Denne fete formen gjør at skiven forsyner det sorte hullet med materierester i et rolig tempo, noe som gjør det relativt svakt sammenlignet med andre, grådigere sorte hull.
EHT-samarbeidet ga ut dette bildet av det sorte hullet Sagittarius A* tidligere denne måneden.Kreditt: EHT Collaboration
Selv om formen på akkresjonsskiven svarte til forventningene, ble mange astrofysikere overrasket over at EHTs data viste disken “ansiktet på”. Dette betyr at rotasjonsaksen er vinklet mindre enn 50° fra vår siktlinje fra Jorden.
Noen forskere hadde forventet at skivens rotasjonsakse i stedet ville peke vertikalt, og vise akkresjonsskiven “kanten på” fra jordens synspunkt. Denne orienteringen ville oppstå fra samspillet mellom tre separate rotasjoner: den staselige svingen til galaksens spiralarmer, det innfallende stoffet som forsyner akkresjonsskiven, og selve det raskt spinnende sorte hullet.
Skytten A* ble sannsynligvis dannet fra sammenslåingen av to sorte hull, da et par galakser kom sammen og dannet Melkeveien. I utgangspunktet kunne spinnet til det nye sorte hullet ha pekt i hvilken som helst retning. Men etter hvert som den vokste ved å mate seg på støv og gass, ville momentumet av innfallende stoff sakte ha justert det sorte hullets spinn med galaksens spinn, sier Priya Natarajan, en astrofysiker ved Yale University i New Haven, Connecticut. Fordi Melkeveien ikke har hatt en fusjon på minst én milliard år, burde alle tre rotasjonene ha stilt opp nå.
Imidlertid har EHTs foreløpige resultater nesten helt sikkert utelukket en vertikal spinnakse for akkresjonsskiven, og kanskje også for selve det sorte hullet. Dette samsvarer med observasjoner gjort i 2018 av Very Large Telescope (VLT), et anlegg på fjellet Cerro Paranal i Chile, som så oppbluss fra materie som gikk i bane svært nær det sorte hullets hendelseshorisont i retning med klokken, akkurat der EHT så sin ringe. “Du kan faktisk legge disse to bildene over hverandre,” sier Stefan Gillessen, en radioastronom ved Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics i Garching, Tyskland.
Gillessen og hans samarbeidspartnere utførte studien ved å bruke GRAVITY-instrumentet, som samler infrarødt lys fra VLTs fire 8-meters skåler for å oppnå en oppløsning som kan sammenlignes med den til et enkelt 130 meter bredt teleskop. I likhet med EHT, fant GRAVITY ut at akkresjonsskiven har en orientering mot ansiktet, med rotasjonsaksen vinklet 20–30° fra vår siktlinje.
Denne ansiktsorienteringen stemmer også overens med flere tiår med observasjoner av strukturen til Melkeveiens sentrale region, sier Jason Dexter, en teoretisk astrofysiker ved University of Colorado Boulder, som er medlem av både GRAVITY- og EHT-samarbeidet. Det sorte hullets akkresjonsskive tilføres av materie som strømmer fra stjerner som går i bane rundt Skytten A* i en skive som er omtrent 0,3 parsec (ett lysår) på tvers, sier han. Så orienteringen til akkresjonsskiven bør samsvare med stjerneskiven, snarere enn den større strukturen til galaksen, sier Dexter. “Det er ikke noe problem der – og kanskje vi burde ha forventet det.”
EHTs 2017-data kan ennå ikke bekrefte rotasjonen med klokken til akkresjonsdisken sett av GRAVITY, sier Charles Gammie, medlem av EHT-samarbeidet ved University of Illinois i Urbana–Champaign. Men teamet har samlet inn mer data, og det kan snart svare på det spørsmålet. “De nye observasjonene fra 2022 kan ha nok informasjon, spesielt hvis vi kan lage en film og se strukturer rotere,” sier Gammie.
Spiralstrømmer
Ved å zoome ut fra sentrum av galaksen har astronomer tidligere kartlagt flere andre større strukturer opp til noen få parsec på tvers. Disse inkluderer en “minispiral” laget av gassstrømmer som minner om Melkeveiens spiralarmer, men 10 000 ganger mindre. Det ser ikke ut til å være mye materie som faller innover fra spiralen akkurat nå, men tidligere kunne den ha matet det sorte hullet i perioder med mye mer intens aktivitet.
Interessant nok er ikke denne spiralen på linje med stjerneskiven rundt Skytten A*, heller ikke med akkresjonsskiven eller med selve galaksen. “Selve sentrum av galaksen trenger ikke være på linje med planet til galaksen,” sier Markoff. “Du forventer ikke nødvendigvis at ting som skjer veldig nær det sorte hullet skal vite noe om det galaktiske planet.”
Modeller, som Natarajans, som forutsier en gradvis justering av det sorte hullets spinn, kan bare gjelde galakser som leverer en jevn strøm av materie til det sorte hullet over lang tid, sier Andrew King, en astrofysiker ved University of Leicester, Storbritannia. . Det ser ikke ut til å være tilfelle for Melkeveien, og heller ikke for mange andre galakser som ser ut til å inneholde feiljusterte sentrale sorte hull. “Årsaken må være at gassen som mater det sorte hullet ikke styres på en ryddig måte, men kommer i separate episoder hvis retninger er ordnet helt tilfeldig sammenlignet med sorthulls spinnaksen,” sier King.
Denne typen kaotisk fôring kan holde det sorte hullet til å spinne i en ganske langsom hastighet, noe som vil tillate det å samle nok materie til å vokse raskt. Det kan bidra til å forklare hvordan noen sorte hull vokste seg så store, så raskt: noen var allerede milliarder av ganger så massive som solen da universet var en tiendedel av sin nåværende alder.
Blåse bobler
Selv om alle disse bevisene ser ut til å stemme overens om retningen til Skytten A*, er det fortsatt store spørsmål om en mulig sammenheng mellom det sorte hullet og andre enorme funksjoner sett rundt galaksens sentrum.
I 2010 kartla astronomer som brukte NASAs Fermi Gamma-ray Space Telescope to enorme gasslober som strekker seg rett over og under den sentrale delen av galaksen, hver 7700 parsec lang. Disse lappene lyser i røntgenstråler, og har blitt kjent som Fermi-boblene. Og i 2020, eROSITA røntgenteleskopet ombord på en tysk-russisk sonde oppdaget enda større bobler i samme område av verdensrommet.
Sammensatt bilde som viser Fermi-bobler (røde) og boblene oppdaget av eROSITA (blå).Kreditt: P. Predehl et al./Nature
Observasjonene antyder at disse boblene er ettergløden fra sjokkbølger som stakk ut av det galaktiske senteret de siste 20 millioner årene eller så. En plausibel kilde for en slik sjokkbølge kan være et utbrudd av stjernedannende aktivitet, som fører til et stort antall stjerneeksplosjoner kalt supernovaer. Men en annen stor mistenkt er en periode med intens mating fra Skytten A*.
Forskere har også funnet glødende gassøyler som strekker seg mer enn 150 parsecs fra Galactic Center, noe som kan tyde på at Skytten A* skapte Fermi-boblene. “Som en skorstein som fortsatt er varm av røyk og varme som nettopp har gått gjennom den, kan disse skorsteinene være en relikvie fra utstrømningen som blåste opp Fermi- og eROSITA-boblene,” sier astrofysiker Gabriele Ponti, en kollega av Gillessens ved Max Planck Institute i Garching.
Men boblene ser ut til å være på linje vertikalt med Melkeveiens akse, så det er uklart hvordan de kan stamme fra et svart hull som er vippet i en annen retning. En mulighet er at boblene er sluttresultatet av mange separate perioder med intens fôring, som hver spyr ut materie i en annen retning. «Det EHT har vist var et øyeblikksbilde. Fermi-boblene avslører aktivitet over veldig lange tidsskalaer, sier Simona Murgia, en astronom ved University of California, Irvine, som jobber med Fermi-oppdraget.
Et røntgenromteleskop kalt Athena, planlagt oppskyting av European Space Agency på midten av 2030-tallet, kan bidra til å avgjøre spørsmålet ved å kartlegge bevegelsen til gassen i Fermi-boblene, sier Ponti.