Sagittarius svarta hål, del 1: Vad står på spel?

Sagittarius svarta hål, del 1: Vad står på spel?

Torsdagen den 12 maj kommer Event Horizon Telescope (EHT) presentera bilder från det svarta hålet i Vintergatans mitt, som bär namnet Sagittarius A*. Vi vet just nu inte vad bilderna kommer att föreställa, men vad det än blir så kommer de att ge oss nya insikter i vad som händer i mitten av vårt galaktiska hem.

Jag har följt EHT:s arbete i ett par år nu, dels genom att intervjua flera av deras forskare i arbetet med min bok om svarta hål, och dels genom att besöka de teleskop de använder för sina observationer. Vad jag har känt av är en stor optimism för möjligheten att göra allt bättre och bättre observationer av svarta hål. Presskonferensen den 12 maj kommer därför säkerligen bjuda på någonting riktigt spännande. I det här inlägget kommer jag diskutera vad som står på spel med det nya bilderna.

Först lite snabb bakgrundsinformation. Sagittarius A* är namnet på det svarta hålet i Vintergatans mitt. Ibland skrivs namnet även Sgr A*. Namnet kommer från att Vintergatans mitt ligger i riktningen mot stjärnbilden Sagittarius (Skytten), och beteckningen A* kommer från en av de kraftigaste radiokällorna som ligger där. Denna radiokälla identifierades 1974 av Bruce Balick och Robert Brown.

Sagittarius A* ligger ungefär 26 000 ljusår bort från jorden. Det främsta beviset vi har just nu för att Sagittarius A* är ett svart hål är observationer av hur stjärnorna rör sig där. Dessa observationer har utförts av två grupper, en amerikansk som leds av Andrea Ghez och en europeisk som leds av Reinhard Genzel. Efter att ha observerat stjärnornas rörelse sedan 90-talet och framåt kunde de båda grupperna slå fast att den troligaste förklaringen till stjärnornas rörelse är ett svart hål med en massa på drygt fyra miljoner solmassor. Ghez och Genzel belönades med Nobelpriset i fysik år 2020 för denna bedrift.

Så här ser det ut när man zoomar in i Sagittarius/Vintergatans mitt och ser hur stjärnorna rör sig där. Hela denna inzoomning är byggd på vetenskapliga observationer, och datorsimulationer visualiserar den allra sista delen som visar stjärnornas omloppsbanor kring Sgr A*.

Stjärnan som rör sig väldigt snabbt i videon ovan heter S02. Den befinner sig som närmast 1400 Schwarzschildradier från Sagittarius A* (Schwarzschildradien är ett mått på det svarta hålets storlek). Ghez och Genzel kan således studera stjärnornas rörelser som befinner sig mer än tusen gånger längre bort från Sgr A* än dess storlek. Det är således indirekta mätningar av det svarta hålet. Tänk om det vore möjligt att observera det svarta hålet mera direkt? Enter Event Horizon Telescope.

 

Event Horizon Telescope

Event Horizon Telescope är en organisation som kombinerar mätningar av flera olika teleskop över hela jorden för att studera hur ljus rör sig kring supermassiva svarta hål. Sådana svarta hål har massor på mer än flera miljoner och till och med miljarder solmassor.

Event Horizon Telescope bild av det svarta hålet M87* blev världskänd när den släpptes i april 2019. Du har säkert sett den:

Det svarta hålet M87*.

Denna bild går att ta på grund av ljuset som skickas iväg av den gas som rör sig kring M87*, som ligger i galaxen M87 mer än 52 miljoner ljusår bort från jorden. Svarta hål skickar inte ut något ljus, och är därför omöjliga att se direkt (astrofysikaliska svarta hål skickar inte heller ut någon Hawkingstrålning, eftersom de är mycket kallare än den kosmiska bakgrundsstrålningen). Men precis som vi kan lysa upp ett objekt i ett mörkt rum med hjälp av en ljuskälla, så kan vi “se” ett svart hål genom att studera ljus som rör sig kring och bort från det. Den externa ljuskälla som behövs är den heta plasma som virvlar kring det svarta hålet (en plasma är en gas som består av elektriskt laddade partiklar, likt solen). Denna plasma skickar ut strålning som ibland kommer att färdas in i det svarta hålets mörker, men ibland kommer att färdas förbi och bort från mörkret. Resultatet blir ett slags förmörkning/skugga i den strålning som lämnar systemet, och denna skugga kan Event Horizon Telescope observera.

Skuggan är större än det svarta hålet. Mörkret du ser i bilden ovan är därför inte det svarta hålet, utan det svarta hålets skugga. Närmare än så går det nog inte att avbilda ett svart hål. Däremot går det att göra bilden skarpare, vilket vi säkert kommer att få se i framtiden.

När bilden av M87* presenterades 2019 blev många journalister förvånade. De flesta trodde att EHT skulle presentera en bild av Sgr A* eftersom det ligger närmast jorden. Anledningen till att EHT presenterade en bild av M87* först var att det visade sig vara svårt att få fram en bild av Sgr A*.

Problemet var tidsskalorna. M87* ligger ungefär två tusen gånger längre bort från jorden än Sgr A*, men är också två tusen gånger större. M87* och Sgr A* ser därför ungefär lika stora ut på himlen (“stora” är kanske ett missvisande ord eftersom deras storlek på himlen, sett från jorden, är ungefär lika stor som en apelsin på månen). Men eftersom M87* är större så rör sig gasen runt den mycket långsammare. Gasen som virvlar runt Sgr A* rör sig relativt snabbt, och därför är det svårt för de bildalgoritmer som EHT utvecklade att få fram en tydlig bild av skuggan. Det är ungefär som om du skulle försöka fota ett svagt objekt i mörkret. För att se det måste du ha en lång exponeringstid på kameran, men om objektet rör sig (i det här fallet: gasen runt det svarta hålet), så kommer bilden du får att bli suddig.Men forskarna inom Event Horizon Telescope har fortsatt utveckla sina bildalgoritmer. De har också samlat in mer data. Förhoppningarna är därför stora inför presskonferensen den 12 maj att vi äntligen kommer att få se skuggan av Sgr A*.

Sgr A* var trots allt Event Horizons Telescopes ursprungliga mål. Innan nyårsafton 1999 skickade forskarna Heino Falcke, Fulvio Melia och Eric Agol in en artikel till Astrophysical Journal Letters med titeln Viewing the shadow of the black hole at the galactic center. De menade att det borde vara möjligt att se skuggan av Sagittarius A*, och med hjälp av datorsimulationer förutspådde de hur stor Sagittarius A*:s skugga borde vara och hur den borde se ut.

En av de första detaljerade simulationerna av hur Sgr A* kan se ut. Från Viewing the shadow of the black hole at the galactic center av Heino Falcke, Fulvio Melia och Eric Agol, arXiv:astro-ph/9912263v1, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 528, L13 (2000).

“[W]e can conservatively predict the angular diameter of the shadow in Sgr A* from the GR calculations alone to be ∼ 30 ± 7μarcseconds independent of wavelength”, skrev Falcke, Melia och Agol. Detta är en konkret förutsägelse av skuggans storlek (arcseconds = bågsekunder, vilket är ett mått på hur stora objekt ser ut att vara på himlen), och en av de intressanta sakerna inför EHT:s presskonferens den 12 maj är om den kommer att bli bekräftad.

Men att se skuggan är inte lätt. Astronomerna måste koppla ihop flera teleskop över hela jorden och synka observationerna för att lyckas se skuggan. Falcke, Melia och Agol förutspådde att det skulle ta “about ten years” för att det skulle gå. Idag vet vi att åtminstone den förutsägelsen inte stämde. Event Horizon Telescope grundades först 2009, och bilden av M87* presenterades 2019. Kanske får vi se bilden på skuggan av Sagittarius A* den 12 maj, mer än 20 år efter att Falcke, Melia och Agol hade simulerat hur den borde se ut.

 

Vad står på spel?

Här är tre skäl till varför det är viktigt att studera Sagittarius A*:

  1. De senaste decennierna har astronomerna insett att framväxten av supermassiva svarta hål är nära förbunden med framväxten av galaxer. Vi bor som bekant i en galax (Vintergatan), och lär vi oss mer om Sagittarius A* kan vi förstå mer om hur vår egen galax har blivit till och hur den fungerar. Att förstå Sagittarius A* handlar därför om att förstå vårt galaktiska hem.
  2. Supermassiva svarta hål ligger bakom universums ljusstarkaste fenomen. På något sätt lyckas de omvandla energin i den materia som faller in i dem till jetstrålar som skjuter bort från dem. Dessa jetstrålar är de energirikaste fenomen som astronomerna har observerat. De kan bli större än själva galaxerna och vara så starka att de går att se tvärs genom universum. Sagittarius A* skapar dock inte en sådan kraftig jetstråle. Eftersom den inte är lika kraftig kan detaljerade observationer av Sagittarius A* lära oss mer om varför vissa supermassiva svarta hål inte lyckas skapa riktigt kraftiga jetstrålar. Kanske gjorde Sagittarius A* det någon gång i det förflutna. Sagittarius A* kan därför lära oss mer om villkoren för hur universums allra mest intensiva mörker hänger ihop med universums allra mest intensiva ljus.
  3. Den naturlag som vi alla känner av varje dag är så vardaglig att vi ibland glömmer bort att den finns: gravitation. Det är dock en kraft som inte bara styr våra liv utan som även styr hela universums utveckling. Att förstå hur gravitation fungerar är därför avgörande för att förstå hur naturen fungerar. I ett svart hål har gravitationen dragits till sin spets, och lär vi oss hur svarta hål fungerar lär vi oss även hur gravitation fungerar. Eftersom Sagittarius A* är det största svarta hålet som befinner sig närmast jorden, är det ett av de svarta hål som vi kan studera allra bäst. Sagittarius A* kan därför hjälpa oss att förstå hur naturens lagar fungerar, och förstår vi dem kan vi även förstå villkoren för både universums uppkomst och dess framtida utveckling.

Till dessa tre skäl varför det är viktigt att studera Sagittarius A* skulle jag vilja lägga ytterligare ett: det är coolt. Svarta hål är coola. De är universums mest extrema objekt. De är teoretiska laboratorium som lär oss mer om naturens fundamentala lagar. De kan trigga vår fantasi till det yttersta. Det är därför häftigt att få se en riktig bild av vad som händer runt ett svart hål.

Med det sagt, låt oss diskutera vad som är det viktigaste att ta reda på rent empiriskt om ett svart hål.

Det första och viktigaste att lära sig om ett svart hål är dess massa. Massan är ett mått på det svarta hålets storlek, dess händelsehorisont. I fallet med Sgr A* har vi redan en bra uppskattning av dess massa med hjälp av Andrea Ghez och Reinhard Genzels observationer av stjärnornas rörelser kring Sgr A*, men det är viktigt att bekräfta denna uppskattning med hjälp av andra mätningar. Där är mätningen av Sgr A*:s skugga den viktigaste. Skuggans storlek står i direkt relation till Sgr A*:s massa. Mätningen av skuggan sker också närmare det svarta hålet än mätningen av stjärnornas rörelser.

Efter att ha fått en bra uppfattning av massan är det flera andra saker som är viktiga att studera. En fråga är var massan kom ifrån. Ett supermassivt svart hål växer genom att dels sluka materia och dels krocka med andra supermassiva svarta hål (vilket kan ske då galaxer kolliderar med varandra, vilket exempelvis Andromedagalaxen kommer att göra med Vintergatan om ett par miljarder år). Sgr A* befinner sig just nu på en “diet”. Det tycks inte få i sig speciella mycket materia. “If you were on the same diet as Sgr A*, you would eat one grain of rice every million years!” twittrade Event Horizon Telescope nyligen. Detta kan vara ett tecken på att Sgr A* har haft mer aktiva perioder av “ätande” förr i tiden, men att det inte finns ett tillräckligt stort inflöde av gas för att den ska växa i någon betydelsefull takt just nu. På något sätt har Sgr A* blivit så pass massivt som det är, och det är viktigt att försöka klura ut hur dess tillväxthistoria ser ut. Event Horizon Telescopes observation av gasen kring Sgr A* är därför viktig för att förstå Sgr A*:s tillväxthistoria.

Kopplat till frågan om hur mycket materia som Sgr A* får i sig är frågan om dess jetstrålar. Ett enormt framsteg för Event Horizon Telescope vore att kunna avbilda exakt hur jetstrålen bildas nära det supermassiva svarta hålet. EHT har ägnat en hel del tid att analysera jetstrålen från andra supermassiva svarta hål, som exempelvis den här från kvasaren 3C 279:

Strålning från det svarta hålet 3C 279. Källa: Event Horizon Telescope.

Sgr A* har som sagt svaga jetstrålar, men de kanske vara starkare i det förflutna. De svaga jetstrålarna är förmodligen kopplat till att Sgr A* inte “äter” så mycket just nu. Men det är viktigt att få ett grepp om hur jetstrålarna skapas. Där är studiet av ljusets polarisation viktigt. Ljusets polarisation berättar om vad det finns för magnetfält kring Sgr A*, och magnetfälten tros vara viktiga för hur jetstrålarna skapas. Att ha bra observationer av polarisationen och även storleken på asymmetrierna i strålningen från Sgr A* kan därför hjälpa astrofysikerna att få en inblick i hur jetstrålen blir till nära det svarta hålet.

Det är också viktigt att ta reda på det Sgr A*:s rotation. Massa och rotation är de två viktigaste (och, förutom laddning, enda) parametrarna hos ett svart hål. Rotationen har dock inte en väldigt stor påverkan på det svarta hålets skugga (vilket Falcke, Melia och Agol visade i artikeln från 1999).

En sak som kan vara viktig att poängtera rörande EHT och Sgr A* är att forskarna inom EHT har observerat Sgr A* tidigare. De första observationerna som Shep Doeleman, som är en av grundarna av EHT, och hans kollegor gjorde av Sgr A* skedde redan 2001. I en artikel från 2008 hävdade de att man hade sett “Event-horizon-scale structure” vid Sgr A*, vilket dock inte vara samma sak som att man hade sett skuggan. De har också redan presenterat studier av jetstrålens struktur 2019, i vilken man spekulerade i om jetstrålen pekar rakt mot jorden.

Ytterligare en aspekt som är intressant att studera är så kallade “flares”. Det är ett slags eruptioner i den gas som rör sig kring det svarta hålet, och med hjälp av sådana eruptioner går det att kartlägga rumtidens struktur kring Sgr A*.

 

Sammanfattning

Den 12 maj kommer vi få nya bilder på Sgr A*. Om det är en bild av skuggan så är det mest spännande förstås hur den kommer att se ut givet hur gasen roterar kring Sgr A* och vår egen observationsposition. Bilden av skuggan av Sgr A* kan se annorlunda ut än bilden av skuggan av M87* på grund av vår position relativt gasens rotationsriktning.

Men det är inte nödvändigtvis så att EHT:s nya bilder behöver föreställa skuggan av Sgr A*. De kan också visa jetstrålens struktur. Att förstå Sgr A*:s jetstråle är väldigt viktigt för att förstå de astrofysikaliska förhållandena i Vintergatans centrum, och jag skulle personligen nästan tycka att en tydlig bild av hur jetstrålen skapas skulle vara mer intressant än en bild av själva skuggan. Vad vi än får se kommer det att bli väldigt spännande på torsdag.

Previous Vad är ett svart hål? Del 2: Massa och spagetti
Next Sagittarius svarta hål, del 2: Den första mörka idén
Herschel Milky Way

Leave a comment