Sagittarius svarta hål, del 3: Vad har vi lärt oss?

Sagittarius svarta hål, del 3: Vad har vi lärt oss?

Nu är bilden på Sagittarius A* ute! Jag håller på att förbereda en längre text till nästa nummer av Populär Astronomi som berättar vad bilden handlar om och vad vi kan hoppas på i framtiden.

Här skriver jag ett par snabba anteckningar om vad jag tycker är vetenskapligt intressant utifrån de sex vetenskapliga artiklar som Event Horizon Telescope (EHT) har publicerat och vad som sades på de Q&A:s som hölls efter presskonferenserna. Vill du se en bra introduktion till vad bilden handlar om rekommenderar jag Veritasiums video:

Innan vi börjar, en fråga om namn. Det svarta hålet i mitten av vintergatan kallas för Sagittarius A*. Det är inte ett så roligt namn. Det låter tekniskt, och det är det. Sagittarius är stjärnbilden som Vintergatans centrum ligger i närheten av, och A* står för den starkaste radiokällon som finns i den stjärnbilden. Om du skulle komma på ett bättre namn för Sagittarius A*, föreslå gärna det i kommentarerna!

Och en sak till innan vi börjar. Du kanske tycker att bilden är suddig. Det är helt ok! Det här är första bilden någonsin som vi får se längst inuti vår egen galax. Den kanske är suddig, men den är samtidigt en av de skarpaste bilder som någonsin skapats eftersom den låter oss urskilja detaljer på ett så långt avstånd. Bilden är en början, och en extremt spännande början!

Med det snabbt, här är ett par preliminära anteckningar, dagen efter att bilden publicerades:

 

1.

Sagittarius A* bildar den största händelsehorisonten som vi kan se – eller inte se? – på himlen. Dess vinkelupplösning är 51.8 ± 2.3 mikrobågsekunder. Det motsvarar ungefär storleken av en apelsin på månen. Tänk dig att någon placerar en apelsin på månen, och att du tittar upp mot månen. Storleken av den där apelsin motsvarar ungefär den största arean på himlen som inget ljus någonsin kommer att kunna lämna. Detta är det svarta hålets skugga, och Sagittarius A* har den största skuggan på vår himmel.

 

2.

Bilden har producerats utifrån data som EHT samlade in 2017. Det är samma data som användes för att producera bilden på M87*. Av denna data är det framför allt data från en enda dag, den 7:e april, som har använts. All data från 2017 är därför inte färdiganalyserad, och EHT har data från 2018, 2021 och 2022 kvar att titta på. Det finns således en stor mängd icke-analyserad data kvar som innehåller ännu mer information om svarta hål.

 

3.

Det svarta hålets massa uppskattas till någonstans mellan 3.4 och 5.1 miljoner solmassor. Denna uppskattning är inte lika bra som den som Andrea Ghez och Reinhard Genzels kom fram till genom att observera hur stjärnor rör sig kring Sgr A*. Anledningen är att det är lättare att uppskatta massan med hjälp av stjärnornas keplerska banor än de avancerade modellverktyg som EHT måste använda.

 

4.

Rymdens svarta hål har bara två egenskaper: deras massa och deras rotation (spin). EHT kan slå fast att Sgr A* tycks rotera, men de kan inte slå fast hur snabbt. Gasen tycks rotera i samma riktning som det svarta hålet.

Rotationsaxeln verkar peka mot jorden. Det är bara en slump, och om ett par miljoner år kommer rotationsaxelns riktning att förändras relativt oss då vårt solsystem rör sig i en omloppsbana kring Vintergatan.

Att det svarta hålets rotationsaxeln inte pekar i samma riktning som Vintergatans rotationsaxel är intressant. Spontant kanske man tänker att det svarta hålets rotationsaxel borde vara i samma riktning som galaxens, men det behöver inte vara så. Hur ett svart hål bygger upp rotation är en komplicerad historia som beror på tidigare gasansamling, krockar med andra svarta hål osv. Att förstå bakgrunden till Sagittarius A*:s rotation är en av de kommande stora utmaningarna.

 

6.

EHT har inte mätt någon jetstråle. På presskonferensen kallade Sara Issaoun Sagittarius A*:s jetstråle för ”maybe real, maybe a myth”. Den går inte att se just nu eftersom den är för svag (om den finns), men det kan gå med kommande uppgraderade observationer. Andra astronomiska mätningar tyder dock på att Sgr A* har haft utbrott tidigare och skickat iväg jetstrålar (i andra riktningar än mot jorden). Det finns också stora Fermibubblor som har skapats ut från galaxen och längst galaxens rotationsaxel. Hur detta relaterar till Sgr A*:s nuvarande rotationsriktning, samt frågan om det finns en jetstråle idag, är ett aktivt forskningsområde. Jag är väldigt nyfiken på den här aspekten.

 

7.

Sgr A* är ett ovanligt lugnt svart hål. Det samlar inte alls på sig speciellt mycket materia. Om man skalar om dess ”ätande” till en diet för människor (dvs skalar om dess massa till en människas massa) motsvarar det att äta ett riskorn en gång per miljoner år. Så den vanliga, och felaktiga, bilden av svarta hål som kosmiska dammsugare är synnerligen felaktig för Sgr A*.

 

8.

Det främsta problemet med Sgr A*, som inte finns för M87*, är dels variationer i strålningen på korta tidsskalor och dels att strålningen sprids i det interstellära mediet. EHT har utvecklat speciellt tekniker för att hantera dessa två problem.

För att hantera den snabba variationen i strålningen använder EHT en teknik som kallas för “variability noise modeling”. Det är den tekniken som gör att bilden av Sgr A* ser något suddigare ut i jämförelse med M87*. 

När de tog fram bilder under 2019 (utifrån 2017 års data) såg vissa grupper en annan morfologi i strålningen än en ring. De började därför genomföra systematiska tester för att kunna vara säkra på att strålningen kring Sgr A* verkligen har en ringstruktur. De genererade miljontals möjliga bilder med hjälp av simulationer, och undersökte vilka av dessa bilder som var konsistenta med den observerade strålningen. De såg då att det fanns fyra övergripande morfologiska klasser. Tre av dessa klasser hade formen av en ring (fast med varierande strålningsintensitet i ringen), men en av klasserna hade inte en ring.

Our primary imaging goal is to answer the question, “Is Sgr A* a ring?” Although our reconstructions are overwhelmingly dominated by ring images, there are a small number of nonring images that fit the data well and cannot easily be excluded through additional tests.

First Sagittarius A* Event Horizon Telescope Results. III.

EHT misstänker dock att den morfologiska klass som inte uppvisar en ringstruktur handlar om att teleskopen inte har en fullständig täckning och att gasen kring Sgr A* rör sig snabbt.

Bilden som presenterades på presskonferensen är ett genomsnitt av dessa fyra morfologiklasser (inklusive den som inte har en tydlig ringstruktur), och bygger bara på data från den 7:e april. 

 

De kallar denna bild för en “representativ image”, och säger att “Unlike in the previous EHT imaging of M87* (M87* Papers IV and VII), SgrA*’s recovered structure depends somewhat on the imaging strategy and parameter choices”.

De ljusa delarna i ringen bör inte övertolkas. De kan vara effekter från bildbehandlingen eftersom bilden är ett genomsnitt av flera möjliga bilder.

Notera bildens utseende med förutsägelsen från år 2000 av Heino Falcke, Fulvio Melia och Eric Agol:

 

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).

 

9.  

Strålningen från Sagittarius A* varierar i styrka. Dels finns ett ständigt ”flickrande” på storleksordningen 10% av strålningen, och dels kan de ske små utbrott (flares) kring det svarta hålet som skickar iväg extra mycket strålning. En sådan flare observerades under observationskampanjen 2017 den 11 april, och Chandra X-Ray Observatory detekterade det utbrottet.

 

10.

EHT har offentliggjort all data och alla algoritmer de använder. Alla är välkomna att använda datan och algoritmerna.

 

11.

Sagittarius A* är extra lämpad för att undersöka hur gravitation fungerar kring ett svart hål. Det främsta skälet är att vi har flera oberoende mätningar. Genom att mäta stjärnornas rörelse har Andrea Ghez och Reinhard Genzel lyckats få en bra uppskattning av det svarta hålets massa. Denna massa kan därför användas som en extern parameter i EHT:s undersökning av skuggans form. Vet man massan vet man hur stor skuggan borde vara. Relationen mellan massan och skuggans storlek stämmer väldigt bra med vad Einsteins teori förutspår.

Det svarta hålets skugga är väl beskrivet av den metrik som Kerr upptäckte på 60-talet och som beskriver roterande svarta hål. Det går att ha möjliga avvikelser från denna metrik på upp till 10%.

Att testa hur gravitation fungerar kring svarta hål är ett bra komplement till andra undersökningar av hur gravitation fungerar. EHT publicerade följande fina bild i sin sjätte artikel:

 

Vilka slags fenomen testar vilka slags aspekter av gravitation? Från Event Horizon Telescopes sjätte artikel.

 

13.

Gasen rör sig med närapå ljusets hastighet runt det svarta hålet.

 

14.

Nästa steg är att analysera strålningens polarisationsegenskaper (fortfarande med data från 2017), vilket ger en bild av de magnetiska fältens storlek. Detta ger i sin tur en bättre förståelse av hur materia ansamlas i det svarta hålet.

 

15.

Det kan vara viktigt att påpeka att vi inte roterar kring Vintergatan på grund av Sagittarius A*. Massan hos den totala centrala delen av Vintergatan (dvs alla stjärnor, mörk materia och gas som finns där) är ungefär tiotusen gånger större än massan hos Sagittarius A*. Skulle vi ta bort Sagittarius A* skulle det inte göra någon större skillnad för resten av galaxen just nu, men däremot skulle det kunna göra en skillnad för galaxens evolutionära historia.

 

16.

En naiv fundering: finns det en koppling mellan att Sagittarius A* är ett så lugnt svart hål och att liv kan uppstå i galaxen? Finns vi här för att Sagittarius A* inte skickar iväg kraftiga jetstrålar?

 

17.

Det är imponerande att Sgr A* och M87* ser så lika ut, trots att de skiljer sig åt med ungefär en faktor 2000 i storlek. Det visar att Einsteins teori fungerar över flera storleksordningar, och att svarta hål beter sig likadant över dessa storleksordningar. Det är som att det inte finns någon absolut skala för svarta hål: de ser likadana oavsett på vilken skala man observerar dem.

 

 

18.

År 2023 kommer EHT att genomföra observationer med ännu högre frekvens. Det kommer ge skarpare bilder.

 

19.

Målet är en film. De försökte göra det redan med hjälp av 2017 års data, men det verkar inte ha gått så bra: ”Dynamic reconstructions of Sgr A* with EHT2017 coverage should thus be interpreted with caution. This analysis provides a promising starting point for further studies of future evolution seen in Sgr A* EHT observations.” Men med hjälp av den nya datan som har samlats in kommer det förhoppningsvis att gå att göra en film. Det kommer att bli stort.

 

20.

Astronomen Rocco Lico från EHT uttryckte det väl efter presskonferensen: ”Det är storslaget att vi som civilisation kan se in i hjärtat hos vår galax.”

Herschel Milky Way
Previous Sagittarius svarta hål, del 2: Den första mörka idén
Next Naturbilder

Leave a comment