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, bednar@uni.lodz.pl); dr Julian Sitarek (Katedra Astrofizyki UŁ, obecnie IFAE, Hiszpania, jsitarek@ifae.es), 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: