În 2019, lumea a fost fascinată de prima imagine a unei găuri negre, oferită de Telescopul Event Horizon (EHT). Această imagine impresionantă prezenta gaura neagră supermasivă din centrul galaxiei M87, situată în constelația Fecioarei. Ce se întâmplă acum cu această gaură neagră uriașă?
Acum, aceeași captează din nou atenția oamenilor de știință printr-o erupție extraordinară de raze gamma, care a emis fotoni de sute de miliarde de ori mai puternici decât lumina vizibilă. Această erupție intensă, observată pentru prima dată după mai bine de un deceniu, îi ajută pe cercetători să înțeleagă modul în care particulele precum electronii și pozitronii ating energii atât de mari în condițiile extreme din jurul găurilor negre.
Gaura neagră din M87 este departe de a fi mică: produce un jet de particule care este de milioane de ori mai mare decât orizontul evenimentelor, limita externă a găurii negre. Această recentă explozie de radiații de energie înaltă a depășit nivelurile tipice detectate de telescoapele radio în regiunea din jurul găurii negre și a durat aproximativ trei zile. În mod remarcabil, această erupție a provenit dintr-un spațiu mai mic de trei zile-lumină în diametru, echivalentul a puțin sub 24 de miliarde de kilometri.
Razele gamma, pachete de energie electromagnetică cunoscute sub numele de fotoni, reprezintă cea mai energetică lungime de undă din spectrul electromagnetic al galaxiei. Acestea sunt de obicei produse în cele mai fierbinți și mai dinamice locații din Univers, cum ar fi cele din jurul găurilor negre. În cazul erupției din M87, razele gamma au atins niveluri de energie de câțiva teraelectronvolți, o măsură imensă de energie, de obicei asociată cu particulele subatomice, scrie Interesting Engineering.
În comparație, acest nivel de energie este similar cu cel generat de un țânțar în zbor, dar concentrat pe particule de trilioane de ori mai mici.
Ce se întâmplă cu particulele de pe lângă o gaură neagră uriașă?
Pe măsură ce materia spiralează către o gaură neagră, aceasta formează un disc de acreție, o masă rotitoare de particule care accelerează din cauza pierderii . Unele particule sunt expulzate de la polii găurii negre sub formă de jeturi puternice datorită câmpurilor magnetice intense. Acest proces haotic poate duce la explozii bruște de energie, cunoscute sub numele de erupții, dar provocarea rămâne faptul că razele gamma nu pot ajunge la suprafața Pământului.
Cu toate acestea, acum aproximativ șaptezeci de ani, fizicienii au descoperit că pot detecta razele gamma indirect, observând radiația secundară produsă atunci când aceste raze interacționează cu atmosfera.
Weidong Jin, cercetător postdoctoral la UCLA (SUA) și autor principal al unui studiu important publicat în Astronomy & Astrophysics, și-a exprimat curiozitatea continuă în legătură cu accelerarea particulelor din apropierea găurilor negre.
„Particulele sunt incredibil de energetice, călătorind cu viteze apropiate de cea a luminii, și vrem să descoperim cum și de unde dobândesc această energie”, a spus el.
Cercetarea oferă cele mai detaliate date spectrale colectate din M87 și modele care îmbunătățesc înțelegerea acestor procese. Jin a avut un rol esențial în analiza segmentului cel mai energetic al setului de date, în special a razelor gamma de energie foarte înaltă colectate de VERITAS, un observator terestru de raze gamma situat la Observatorul Fred Lawrence Whipple din sudul Arizonei.
Instrumentele care au făcut posibilă această observație
UCLA a avut un rol crucial în dezvoltarea VERITAS, de la electronica care citește observațiile telescopului la software-ul pentru analiza datelor și simularea performanței. Acest efort meticulos a permis detectarea erupției prin modificări notabile ale luminozității, indicând o abatere semnificativă de la observațiile anterioare.
În plus față de VERITAS, peste douăzeci de observatoare terestre și spațiale de top au participat la o campanie multi-lungime de undă împreună cu EHT în 2018. Printre acestea se numără NASA Fermi-LAT, Telescopul Spațial Hubble, NuSTAR, precum și telescoapele Chandra și Swift, alături de trei dintre cele mai mari ansambluri atmosferice Cherenkov din lume: VERITAS, H.E.S.S. și MAGIC. Aceste unități pot detecta fotoni X și raze gamma de energie înaltă.
Unul dintre seturile de date cheie analizate în studiu este distribuția spectrului energetic.
„Acest spectru arată modul în care energia provenită de la entități astronomice este distribuită pe diferite lungimi de undă ale luminii. Este similar cu crearea unui curcubeu și măsurarea energiei din fiecare culoare”, a explicat Jin.
Această analiză are un rol esențial în dezvăluirea mecanismelor care conduc la accelerarea particulelor de energie înaltă în interiorul jetului găurii negre supermasive.
Autorii au remarcat, de asemenea, o fluctuație intrigantă în poziția și unghiul orizontului evenimentelor și al jetului găurii negre, sugerând o relație între particule și orizontul evenimentelor la diferite scări.
„Gaura neagră din M87 prezintă un jet bipolar care se întinde pe mii de ani-lumină de la nucleul său. Acest studiu oferă o ocazie rară de a investiga mai profund originile acestor fenomene”, a concluzionat Jin.