Aktywne jądra galaktyk (AGN) to jedne z najbardziej energetycznych i tajemniczych obiektów we Wszechświecie. W niektórych galaktykach jądra produkują energię w ilości wiele rzędów wielkości przewyższającej całą produkcję “normalnych” galaktyk takich jak Droga Mleczna.

Centralny silnik tych elektrowni to prawdopodobnie supermasywna czarna dziura. Pośrednie dowody wskazuję, że obiekty te są spowite grubą strukturą o kształcie wiedeńskiego pączka złożoną z gazu i pyłu. Uczeni nazywają taki obiekt torusem. Jednak ze względu na ograniczenia ostrości zdjęć uzyskiwanych z istniejących obecnie 10-metrowych teleskopów, nie udało się dotąd takiego torusa sfotografować.

Teleskop VLT (Very Large Telescope) należący do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) może pracować w trybie interferometrii. Łączy wtedy światło docierające do przynajmniej dwóch teleskopów. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wielkiej rozdzielczości. Dzięki tej technice grupa europejskich astronomów uzyskała po raz pierwszy obraz struktur torusa w prototypie AGN, znanej galaktyce NGC 1068. Struktury te widzimy pod kątem około 0,03 sekundy, co odpowiada 10 latom świetlnym w odległości galaktyki. 0,03 sekundy to również pięciozłotowa moneta oglądana z odległości około 170 kilometrów!

To ważne odkrycie udowadnia, że interferometr VLT, korzystający z nowo uruchomionego instrumentu MIDI, dostarcza wartościowego narzędzia w badaniu obiektów znajdujących się poza naszą Galaktyką.

Kosmiczne elektrownie

Aktywne galaktyki to jedne z najbardziej spektakularnych obiektów na niebie. Ich zwarte jądra są tak jasne, że mogą oświetlać całą galaktykę. Mają wiele interesujących cech w całym zakresie swojego widma elektromagnetycznego, od fal radiowych do promieniowania X.

Aktywne galaktyki mają wiele form. Niektóre z nich mają jasne jądra emitujące wysokoenergetyczne (ultrafioletowe i rentgenowskie) fotony. Niektóre mają energetyczne jądra ale zdają się być otoczone mniej lub bardziej “normalną” galaktyką, podczas gdy inne posiadają długie i wąskie dżety czyli wiązki materii wystrzeliwujące z ich centrów.

Istnieją dowody na to, że źródło tej aktywności tkwi w supermasywnych czarnych dziurach o masach sięgających miliardów mas Słońca. Czarne dziury karmione są przez okrążające je dyski akrecyjne. Materia opadająca w kierunku czarnych dziur spręża się i nagrzewa do ogromnych temperatur. Gorący gaz emituje wielkie ilości światła, które powoduje że jądro aktywnej galaktyki świeci tak jasno.

Spowite tajemniczym torusem

Uważa się, że centralny rejon aktywnego jądra jest otoczony przez swego rodzaju pączek wiedeński gęstego i nieprzejrzystego gazu i pyłu. Pierwotnie sądzono, że różne rodzaje aktywnych galaktyk różnią się w fundamentalny sposób własnościami. Obecnie astronomowie preferują tak zwany “zunifikowany” model AGN’ów. Według niego większość tych galaktyk to tylko różne wersje takich samych obiektów. To, jak obiekt wygląda, zależy jedynie od orientacji pączka względem kierunku naszej obserwacji. Czasem patrzymy przez dziurę w nim, a czasem przyglądamy się jego nieprzezroczystym ścianom.

Niektóre AGN’y zdają się być bardzo jasne, gdyż patrzymy wprost na miejsce emisji energii, niektóre są słabe gdyż torus przesłania centralną elektrownię. Kosmiczne pączki wiedeńskie, lub jak kto woli – torusy, były dotąd niedostrzegalne ze względu na ich niewielkie rozmiary, zwykle rzędu dziesiątek lat świetlnych. W przypadku najbliższej aktywnej galaktyki odpowiada to kątowi 0,05 sekundy, a to dużo za mało by dało się je obserwować za pomocą pojedynczego teleskopu o średnicy 10 metrów.

Mimo, że dowody istnienia torusa były jedynie pośrednie, zaproponowano wiele modeli opisujących jak one wyglądają. Różniły się one gęstością, zwartością (od rozległych po puszyste). To, czego potrzebowali astronomowie do wyboru właściwego modelu, to uzyskanie bezpośredniego obrazu torusa. Ale jak dotąd, teleskop o odpowiedniej ostrości obrazu nie istniał.

Szukanie igły w stogu siana

Sytuację zmieniło powstanie interferometrii. Jest to technika, która łączy światło docierające do dwóch lub więcej teleskopów i dzięki temu uzyskuje rozdzielczość odpowiadającą jednemu wielkiemu teleskopowi o średnicy równej odległości między używanymi instrumentami. Niedawno uruchomiony interferometr VLT (oznaczany VLTI), znajdujący się na szczycie góry Paranal, ma ambitny cel uczynienia interferometrii narzędziem dostępnym każdemu astronomowi. Zaledwie kilka miesięcy temu zainstalowano pierwszy instrument dla VLTI, urządzenie dokonujące łączenia wiązek w średniej podczerwieni (MIDI). Na początku 2004 roku zostanie zainstalowany kolejny instrument, nazwany AMBER.

MIDI czuły jest na światło o długości fali 10 mikronów, leżące w środkowej części pasma podczerwonego (nazywanego podczerwienią termiczną). Znajdujący się w centrum VLTI interferometr MIDI ma bazę sięgająca 200 metrów i jest w stanie uzyskać zdolność rozdzielczą rzędu 0,01 sekundy kątowej. W połączeniu z dwoma 8,2-metrowymi teleskopami, interferometr jest w stanie badać obiekty znajdujące się poza Drogą Mleczną.

Ze swoja czułością na promieniowanie termiczne, MIDI jest idealnie zaprojektowany do badania kosmicznej materii znajdującej się w pobliżu centralnego obiektu aktywnej galaktyki i ogrzewanej przez jego promieniowanie.

Ultrafiolet i promieniowanie widzialne docierające z gorącej materii otaczającej czarną dziurę nagrzewa pyłowy torus do kilkuset stopni. Zaabsorbowana energia jest ponownie emitowana w postaci termicznej podczerwieni o długości fali od 5 do 100 mikronów.

MIDI jest więc idealnym narzędziem aby spojrzeć na gazowe i pyłowe torusy znajdujące się prawdopodobnie wokół gigantycznych czarnych dziur w centrach kwazarów.

Ponieważ nikt dotąd nie był w stanie zastosować interferometrii do badania obiektów w termicznej podczerwieni, MIDI wkracza na nietknięty badaniami obszar.

W dwie noce pomiędzy 14 i 16 czerwca grupa europejskich astronomów przeprowadziła pierwsze serie obserwacji w celu weryfikacji potencjalnych możliwości MIDI. Zbadano między innymi aktywną galaktykę NGC 1068.

NGC 1068: Prototyp AGN

NGC 1068 to jedna z najbliższych i najjaśniejszych galaktyk aktywnych. Znajduje się w konstelacji Wieloryba w odległości około 60 milionów lat świetlnych. Jest również oznaczana jako M77.

Zdjęcie spiralnej galaktyki NGC 1068 wykonane w świetle widzialnym (NOAO/AURA/NSF). Wymiary zdjęcia to 820 na 680 pikseli. Centralny obszar, o wymiarach 5 na 5 pikseli, pokazano na powiększeniu. Kółko odpowiada rozmiarom obszarów obserwowanych techniką interferometryczną przez MIDI.

To jedna z największych galaktyk w katalogu Messiera i jeden z pierwszych obiektów rozpoznanych jako galaktyka spiralna. Na zdjęciach w promieniowaniu optycznym wygląda jak zwykła galaktyka spiralna z poprzeczką. Jej jądro jest jednak bardzo jasne nie tylko w zakresie widzialnym, ale także w ultrafiolecie i promieniowaniu X. W jej centrum znajduje się prawdopodobnie czarna dziura o masie rzędu 100 milionów mas słonecznych.

Frędzelki w odległym pyle: dostrzeganie torusa w NGC 1068

W obserwacjach MIDI użyto dwóch 8,2-metrowych teleskopów VLT (Antu i Melipal), odległych o 102 metry. Na skutek efektów rzutowania, rzeczywista baza przy obserwacjach NGC 1068 wynosiła 79 metrów. W czasie obserwacji galaktyki astronomowie zarejestrowali charakterystyczny obrazek interferencyjny.

Interferencyjne linie pojawiają się, gdy światło z dwóch teleskopów dociera dokładnie w tej samej fazie. W przypadku źródła punktowego takie linie mają maksymalny teoretyczny kontrast i źródło staje się niedostrzegalne. Obiekty o większym kątowym rozmiarze tworzą linie interferencyjne o mniejszym kontraście. W przypadku NGC 1068, zmierzony kontrast wynosił zaledwie 10 procent maksymalnej jasności. Dokładna interpretacja wyników będzie przeprowadzona po pomiarach z inną bazą planowanych na nadchodzącą jesień.

Jednakże już wstępne wyniki są bardzo przekonujące: Po dwóch nocach obserwacyjnych uzyskano obraz interferencyjny. Zawdzięcza się to między innymi doskonałym warunkom obserwacyjnym na Paranal. Możliwe jest już stwierdzenie, że w NGC 1068 zaobserwowano struktury torusa w skali rzędu 0,03 sekundy kątowej (odpowiada to 10 latom świetlnym).

Przełom w interferometrii

Omawiany pomiar jest pierwszą obserwacją obiektu pozagalaktycznego wykonaną w interferometrii długiej bazy w termicznej podczerwieni. Otwiera to drzwi do zupełnie nowej dziedziny astronomii: badania gazu i pyłu otaczającego i zasilającego największe monstra we Wszechświecie. MIDI i VLTI będzie dla astronomów z całego świata przez lata najlepszym narzędziem do wykonywania badań.

Autor

Michał Matraszek