Astronomer avslöjar ett svart håls intensiva magnetfält

Ett team av fem astronomer vid Chalmers och Onsala rymdobservatorium har avslöjat ett extremt kraftfullt magnetfält, som ligger bortom vad man tidigare har upptäckt i någon galaxkärna – väldigt nära händelsehorisonten av ett supermassivt svart hål. De nya observationerna hjälper astronomer att förstå både hur dessa bjässar i galaxers centrum, och tvillingstrålen av plasma som de ofta sprutar ut i höga hastigheter från sina poler, kan uppstå.

Supertunga svarta hål, med massor på upp till flera miljarder gånger solens, påträffas i hjärtat av nästan alla galaxer i universum. Ett supertungt svart hål kan samla på sig stora mängder av materia i form av en omgivande skiva. Merparten av materian slukas av det svarta hålet, men en del kan undfly strax innan den fångas och istället kastas ut i rymden med hastigheter nära ljusets, och bildar då en jetstråle av plasma.

Ivan Marti-Vidal, som har lett forskarlaget på Chalmers, vill förstå hur dessa extrema fenomen fungerar.

– Supertunga svarta hål påverkar hela galaxer med sina jetstrålar. Fram tills nu har man trott att starka magnetfält spelar en viktig roll, men bara svaga magnetfält långt från svarta hål – flera ljusår bort, har upptäckts. Nu har vi lyckats bevisa att de verkligen är väldigt starka, säger han.

Astronomerna använde teleskopet Alma för att studera det supermassiva svarta hålet i en avlägsen galax med beteckningen PKS 1830-211. De lyckades upptäcka signaler som är direkt relaterade till ett starkt magnetfält väldigt nära händelsehorisonten. Magnetfältet ligger precis där materia plötsligt accelereras bort från det svarta hålet i form av en jetstråle.

Forskargruppen mätte upp magnetfältsstyrkan genom att studera på vilket vis ljuset som rörde sig bort från det svarta hålet var polariserat. Ivan Marti-Vidal förklarar:

– Polarisering är en av ljusets viktigaste egenskaper och används ofta i vårt vardagsliv, till exempel i solglasögon eller 3d-glasögon på bio. När polariserat ljus uppstår naturligt kan man använda det för att studera magnetfält, eftersom ljuset ändrar sin polarisering när det rör sig igenom magnetiserat material. I det här fallet hade ljuset som vi upptäckte med Alma rört sig genom material väldigt nära det svarta hålet, ett ställe där det är fullt med högt magnetiserad plasma, berättar han.

Astronomerna använde en ny analysmetod som utvecklats för Alma-mätningarna och upptäckte att riktningen för polariseringen hos ljusstrålarna från hjärtat av PKS 1830-211 har roterat. Magnetfälten ger nämligen upphov till en effekt som kallas Faraday-rotation. Polariseringen roterar olika mycket vid olika våglängder, och hur rotationen varierar med våglängd berättar om det magnetiska fältet i området.

Sebastien Muller är medförfattare till artikeln.

– Vi har upptäckt en tydlig signal av att polarisationen roterats och signalen är hundra gånger högre än vad man tidigare funnit i universum. Tack vare Alma är vår upptäckt ett stort steg framåt vad gäller vilka frekvenser som man kunnat studera, men även vad gäller avståndet till det svarta hålet där magnetfältet har studerats. Vi når i storleksordningen ner till några få ljusår från händelsehorisonten. Dessa resultat, och framtida studier, kommer hjälpa oss att förstå vad som pågår i de supermassiva svarta hålens omedelbara närhet, avslutar han.

FAKTA
Mer om forskningen
Resultaten presenteras i en forskningsartikel med titeln “A strong magnetic field in the jet base of a supermassive black hole” i tidsskriften Science den 17 april 2015. Embargot lyfte kl 20 svensk tid, den 16 april.

Forskargruppen består av Ivan Martí-Vidal (Onsala rymdobservatorium och Institutionen för rymd- och geovetenskap, Chalmers tekniska högskola, Sverige), Sebastien Muller (Onsala rymdobservatorium och Institutionen för rymd- och geovetenskap, Chalmers tekniska högskola, Sverige), Wouter Vlemmings (Institutionen för rymd- och geovetenskap och Onsala rymdobservatorium, Chalmers tekniska högskola, Sverige), Cathy Horellou (Institutionen för rymd- och geovetenskap, Chalmers tekniska högskola, Sverige) och Susanne Aalto (Institutionen för rymd- och geovetenskap, Chalmers tekniska högskola, Sverige).

Fakta om Alma och ESO
Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) är ett teleskop som består av 66 stora 12-meters och 7-metersantenner och som ligger 5000 meter över havet på Chajnantorplatån i norra Chile. Alma är ett samarbete ett samarbete mellan ESO, National Science Foundation i USA och Nationella instituten för naturvetenskap i Japan i samverkan med Chile och är världens hittills största astronomiska projekt. Chalmers och Onsala rymdobservatorium har varit med sedan starten och bland annat byggt mottagare till Alma. Vid Onsala rymdobservatorium finns Nordic Alma Regional Centre som tillhandahåller teknisk expertis om Alma och som hjälper nordiska astronomer att använda teleskopet.

ESO, European Southern Observatory, är Europas främsta mellanstatliga organisation för astronomisk forskning och världens mest produktiva astronomiska observatorium. ESO bistår astronomer med toppmoderna forskningsanläggningar med stöd från 16 länder, bland dem Sverige. ESO har byggt och driver ett antal av världens mest kraftfulla markbaserade astronomiska teleskop.

Fakta om Onsala rymdobservatorium
Onsala rymdobservatorium är Sveriges nationella anläggning för radioastronomi. Observatoriet förser forskare med utrustning för studier av jorden och resten av universum. I Onsala, 45 km söder om Göteborg, drivs två radioteleskop, en station i teleskopnätverket Lofar, samt utrustning för forskning om jorden och atmosfären. Observatoriet medverkar även i flera internationella projekt. Institutionen för rymd- och geovetenskap på Chalmers tekniska högskola är värd för observatoriet. Verksamheten drivs på uppdrag av Vetenskapsrådet.

Kontaktinformation
Robert Cumming, astronom och informatör, Onsala rymdobservatorium vid Chalmers, 031-772 5500, 070-493 31 14, robert.cumming@chalmers.se. Ivan Martí-Vidal, astronom, Onsala rymdobservatorium vid Chalmers, 031 772 5557, ivan.marti-vidal@chalmers.se