Co można zobaczyć w centrum galaktyki odległej o 47 milionów lat świetlnych? I jak to zrobić?

Galaktyki aktywne to ciekawa kategoria obiektów kosmicznych, których centralne części są dużo jaśniejsze niż w przypadku przeciętnej galaktyki. Nazywa się je AGN (aktywne jądro galaktyki, z ang. active galactic nucleus). Przypuszcza się, że w ich centrum znajdują się bardzo masywne czarne dziury, które połykają otaczającą materię w tak dużym tempie, że w przeciwieństwie do zwykłej galaktyki, światło jądra galaktyki dominuje nad światłem emitowanym przez resztę gwiazd i materii międzygwiazdowej.

Wyobrażenie aktywnego centrum w przypadku galaktyki M77

Droga Mleczna kiedyś mogła być właśnie galaktyką aktywną, ale teraz już się wyciszyła i traktowana jest jako galaktyka nieaktywna.

Obserwacje centrum galaktyki aktywnej Messier 77

O istnieniu galaktyk aktywnych wiemy od ponad półwiecza. Od 30 lat istnieje teoria, która wyjaśnia ich ogromną jasność. Jednak okazji, by ją potwierdzić było niewiele. Wymaga to bowiem precyzyjnych obserwacji centrum takiej galaktyki, a nawet najbliższe z nich leżą co najmniej kilkanaście milionów lat świetlnych od Słońca.

Coś w tym temacie ruszyło z miejsca, dzięki obserwacjom centrum Messier 77 (M77, NGC 1068), jednej z bliższych nam galaktyk aktywnych, choć i tak znajdującej się bardzo daleko od nas (47 milionów lat świetlnych). W jej centrum zaobserwowano gęsty pierścień pyłu i gazu, który skrywa centralnie położoną czarną dziurę.

Widok galaktyki M77 i pierścienia pyłowego w jej centrum widzianego przez instrument MATISSE przy interferometrze VLTI

Spodziewano się takiego wyniku obserwacji, ale dużą niewiadomą było to, w jakim stopniu czarna dziura jest przesłonięta przez chmurę materii? Od tego bowiem zależy sposób w jaki obserwator widzi dany ANG. Jeśli pył przesłania czarną dziurę w całości, to centrum galaktyki będzie świecić w świetle widzialnym znacznie słabiej niż w sytuacji, gdy czarna dziura nie jest przesłonięta.

By odpowiedzieć sobie na powyższe pytanie przydatne były obserwacje w podczerwieni i dłuższych falach promieniowania elektromagnetycznego, dla których pył nie jest już tak nieprzejrzysty.

Jak dojrzeć chmurę pyłu w tak dużej odległości jak 47 milionów lat świetlnych?

Mimo dostrzegalności M77 nawet przez amatora, obraz jaki tworzy pierścień pyłu wokół centrum tej galaktyki jest już tak mały, że w największych nawet teleskopach naziemnych nie daje się go rozróżnić. W pojedynkę żaden teleskop nie ma dziś szans, ale gdy połączyć siły dwóch lub więcej teleskopów to sprawy mają się inaczej. Jesteśmy w stanie uzyskać odpowiednik teleskopu o rozmiarze zwierciadła tak dużego jak duża jest największa odległość pomiędzy składowymi teleskopami (baza interferometru).

Ta technika zwana jest interferometrią i znana jest już od XIX wieku, choć jej znajomość nie oznaczała kiedyś umiejętności skutecznej implementacji. Dlatego dopiero stosunkowo niedawno obserwacje interferometryczne stały się powszechne. Umożliwiają one zwiększenie rozdzielczości obserwacji, która zależy między innymi od średnicy zwierciadła teleskopu czy też czaszy radioteleskopu. Zasięgu, czyli czułości na słabiej świecące obiekty, w ten sposób nie zwiększymy, bo wymaga to istnienia faktycznie tak dużego zwierciadła jak baza interferometru.

Dlatego budowa teleskopów nowej generacji o średnicach zwierciadeł rzędu kilkudziesięciu metrów jest jak najbardziej uzasadniona.

VLTI czyli narzędzie odpowiedzialne za obserwacje centrum galaktyki M77

W przypadku obserwacji interferometrycznych w podczerwieni nie wystarczy wziąć pierwszych lepszych kilku teleskopów i połączyć wykonanych nimi obserwacji. Teleskopy musza pracować zgodnie, wykonywać obserwacje w zsynchronizowany sposób i jednocześnie dostarczać światło wybranego obiektu do instrumentu badawczego. Taki układ teleskopów, zwany interferometrem znajduje się w Chile na górze Paranal.

Obserwatorium na górze Paranal i teleskopy VLT tworzące jeden z wariantów instrumentu VLTI

Nazywa się on VLTI (Very Large Telescope Interferometer). W przypadku obserwacji galaktyki M77 wykorzystano cztery 8.2 metrowej średnicy teleskopy VLT z obserwatorium Paranal. Umożliwiło to uzyskanie odpowiednika nawet 130 m średnicy teleskopu.

Obrazy z VLTI i podłączonego do niego instrumentu MATISSE, uzupełniono o dane z radiowego interferometru ALMA na płaskowyżu Chajnantor w Chile, który obserwuje w jeszcze dłuższych niż podczerwień falach milimetrowych, a także VLBA (system radioteleskopów w stanie Nowy Meksyk w USA). Na ich podstawie zrekonstruowano obraz pierścienia pyłu i gazu w centrum galaktyki M77.

Sieć radioteleskopów ALMA

Choć brzmi to prosto, jest tu potrzebne nie tylko sporo obliczeń, ale w przypadku VLTI także odpowiednie poprowadzenia sygnału z teleskopów, by powstały obraz interferencyjny spełniał oczekiwania obserwatorów. Przy obserwacjach radiowych łączenie sygnałów realizują specjalne komputery zwane korelatorami.

Skąd astronomowie wiedzą, że pył skrywa czarną dziurę i gdzie ona się znajduje?

Czarna dziura to najprawdopodobniejsze wyjaśnienie silnej aktywności AGN takiego jak ten w galaktyce M77. Z kolei jej potencjalną lokalizację określono na postawie porównania map temperatury pyłu z mapami jego gęstości nałożonymi na obraz centrum galaktyki.

W ten sposób udało się określić, gdzie powinna znajdować się czarna dziura, by wyjaśnić dane obserwacyjne. Jej pozycja względem pierścienia pyłowego pokazana jest na powyższej ilustracji.

Obserwacje galaktyki M77 pomogą poznać przeszłość Drogi Mlecznej

Wykorzystanie interferometrii w przypadku galaktyki M77 potwierdza ogromną przydatność tej techniki obserwacji w przypadku kolejnego typu obiektów astronomicznych. Dzięki interferometrii obserwowano już powierzchnie odległych gwiazd, a nawet planety pozasłonecznej.

Wyniki obserwacji wspierają tak zwany zunifikowany model AGN, ale im więcej obserwacji innych galaktyk aktywnych uda się zrealizować w przyszłości, tym mniejszy będzie margines niepewności. Astronomowie znajdą się też bliżej wyjaśnienia natury takich pierścieni pyłu, które przesłaniają centralne czarne dziury.

Przy okazji, jak to podkreśla Gámez Rosas szef projektu, obserwacje „mogą także pomóc w lepszym zrozumieniu historii Drogi Mlecznej, która zawiera supermasywną czarną dziurę w swoim centrum - obiekt ten mógł być aktywny w przeszłości.” To taki wniosek, który sprawi, że sens obserwacji AGN będzie trochę bardziej zrozumiały dla nas.

Źródło: ESO, inf. własna