Skytten A* -Sagittarius A*

Från Wikipedia, den fria encyklopedin

Skytten A*
EHT Saggitarius Ett svart hål.tif
Sagittarius A* avbildad av Event Horizon Telescope 2017, släppt 2022
Observationsdata
Epoch J2000 Equinox J2000
Konstellation Skytten
Rätt uppstigning 17 h 45 m 40,0409 s
Deklination −29° 0′ 28.118″
Detaljer
Massa 8,26 × 10 36 kg
(4,154 ± 0,014 ) × 106 M
Astrometri
Distans 26 673 ± 42 ly
(8 178 ± 13 st )
Databasreferenser
SIMBAD data

Skytten A* ( / ˈ eɪ s t ɑːr / AY star ), förkortad Sgr A* ( / ˈ s æ ˈ eɪ s t ɑːr / SAJ AY star ) är det supermassiva svarta hålet i Vintergatans galaktiska centrum . Den ligger nära gränsen till konstellationerna Skytten och Skorpionen, cirka 5,6° söder om ekliptikan, visuellt nära Fjärilsklustret (M6) och Lambda Scorpii .

Objektet är en ljusstark och mycket kompakt astronomisk radiokälla . Namnet Skytten A* följer av historiska skäl. 1954 listade John D. Kraus, Hsien-Ching Ko och Sean Matt de radiokällor som de identifierade med Ohio State Universitys radioteleskop vid 250 MHz. Källorna var ordnade efter konstellation och bokstaven som tilldelades dem var godtycklig, där A betecknade den ljusstarkaste radiokällan i konstellationen. Asterisken * beror på att dess upptäckt ansågs "spännande", parallellt med nomenklaturen för exciterade tillståndsatomer som betecknas med en asterisk (t.ex. skulle det exciterade tillståndet för Helium vara He*). Asterisken tilldelades 1982 av Robert L. Brown, som förstod att den starkaste radioemissionen från galaxens mitt verkade bero på ett kompakt icke-termiskt radioobjekt.

Observationerna av flera stjärnor som kretsar kring Skytten A*, särskilt stjärnan S2, har använts för att bestämma massan och övre gränserna för objektets radie. Baserat på massa och allt mer exakta radiegränser har astronomer kommit fram till att Skytten A* måste vara Vintergatans centrala supermassiva svarta hål. Det nuvarande värdet av dess massa är 4,154 ± 0,014 miljoner solmassor .

Reinhard Genzel och Andrea Ghez tilldelades Nobelpriset i fysik 2020 för deras upptäckt att Sagittarius A* är ett supermassivt kompakt föremål, för vilket ett svart hål var den enda rimliga förklaringen vid den tiden.

Den 12 maj 2022 släppte astronomer, med hjälp av Event Horizon Telescope, en bild av Skytten A* producerad med hjälp av data från radioobservationer i april 2017, vilket bekräftar att objektet är ett svart hål. Detta är den andra bekräftade bilden av ett svart hål, efter Messier 87:s supermassiva svarta hål 2019.

Observation och beskrivning

ALMA observationer av molekylära väte-rika gasmoln, med området runt Skytten A* inringat

Den 12 maj 2022 släppte Event Horizon Telescope för första gången ett fotografi av Skytten A*, baserat på direkta radiobilder som togs 2017, och bekräftade att objektet innehåller ett svart hål. Detta är den andra bilden av ett svart hål. Denna bild tog fem år av beräkningar att bearbeta, med hjälp av en bildskiktningsteknik. Deras resultat ger en övergripande vinkelstorlek för källan till51,8 ± 2,3 μas ). På ett avstånd av 26 000 ljusår (8 000 parsecs ) ger detta en diameter på 51,8 miljoner kilometer (32,2 miljoner miles). Som jämförelse är jorden 150 miljoner kilometer (1,0 astronomisk enhet ; 93 miljoner miles ) från solen, och Merkurius är 46 miljoner km (0,31 AU; 29 miljoner mi) från solen vid perihel . Egenrörelsen för Sgr A* är cirka −2,70 mas per år för höger uppstigning och −5,6 mas per år för deklinationen . Teleskopets mätning av dessa svarta hål testade Einsteins relativitetsteori mer rigoröst än vad som tidigare har gjorts, och resultaten matchar perfekt.

Under 2019 avslöjade mätningar gjorda med den högupplösta Airborne Wideband Camera-Plus (HAWC+) monterad i SOFIA- flygplanet att magnetiska fält orsakar den omgivande ringen av gas och damm, vars temperaturer sträcker sig från -280 till 17 500 °F (99,8 till 9 977,6 K; −173,3 till 9 704,4 °C), för att strömma in i en omloppsbana runt Skytten A*, vilket håller utsläppen av svarta hål låga.

Astronomer har inte kunnat observera Sgr A* i det optiska spektrumet på grund av effekten av 25 magnituder av utrotning av damm och gas mellan källan och jorden.

Historia

Karl Jansky, som anses vara radioastronomins fader, upptäckte i april 1933 att en radiosignal kom från en plats i riktning mot konstellationen Skytten, mot Vintergatans centrum. Radiokällan blev senare känd som Skytten A . Hans observationer sträckte sig inte riktigt så långt söderut som vi nu vet är Galactic Center. Observationer av Jack Piddington och Harry Minnett med CSIRO -radioteleskopet vid Potts Hill Reservoir, i Sydney upptäckte en diskret och ljusstark "Sagittarius-Scorpius"-radiokälla, som efter ytterligare observation med 80-fots (24-meters) CSIRO -radioteleskopet kl. Dover Heights identifierades i ett brev till Nature som det troliga Galactic Center.

Senare observationer visade att Skytten A faktiskt består av flera överlappande delkomponenter; en ljus och mycket kompakt komponent, Sgr A*, upptäcktes den 13 och 15 februari 1974 av astronomerna Bruce Balick och Robert Brown med hjälp av baslinjeinterferometern från National Radio Astronomy Observatory . Namnet Sgr A* myntades av Brown i en tidning 1982 eftersom radiokällan var "spännande", och exciterade tillstånd av atomer betecknas med asterisker.

Detektering av en ovanligt ljus röntgenstrålning från Sgr A*

Sedan 1980-talet har det varit uppenbart att den centrala komponenten i Sgr A* sannolikt är ett svart hål. 1994 visade infraröd- och submillimeterspektroskopistudier av ett Berkeley -team som involverade Nobelpristagaren Charles H. Townes och den framtida Nobelpristagaren Reinhard Genzel att massan av Sgr A* var tätt koncentrerad och av storleksordningen 3 miljoner solar.

Den 16 oktober 2002 rapporterade ett internationellt team under ledning av Reinhard Genzel vid Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics observationen av stjärnans S2 nära Skytten A* under en tioårsperiod. Enligt teamets analys uteslöt data möjligheten att Sgr A* innehåller ett kluster av mörka stjärnobjekt eller en massa degenererade fermioner, vilket stärker bevisen för ett massivt svart hål. Observationerna av S2 använde nära-infraröd (NIR) interferometri (i Ks-bandet, dvs. 2,1 μm ) på grund av minskad interstellär utsläckning i detta band. SiO -masrar användes för att anpassa NIR-bilder med radioobservationer, eftersom de kan observeras i både NIR och radioband. Den snabba rörelsen hos S2 (och andra närliggande stjärnor) skilde sig lätt ut mot långsammare rörliga stjärnor längs siktlinjen så att dessa kunde subtraheras från bilderna.

Det dammiga molnet G2 passerar det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan

VLBI-radioobservationerna av Skytten A* kunde också riktas in centralt med NIR-bilderna, så fokus för S2:s elliptiska bana visade sig sammanfalla med Skytten A*s position. Genom att undersöka Keplerian-banan för S2 bestämde de att massan av Skytten A* var4,1 ± 0,6 miljoner solmassor, begränsade i en volym med en radie på högst 17 ljustimmar (120 AU [18 miljarder km ; 11 miljarder mi ]). Senare observationer av stjärnan S14 visade att objektets massa var cirka 4,1 miljoner solmassor inom en volym med en radie som inte är större än 6,25 ljustimmar (45 AU [6,7 miljarder km; 4,2 miljarder mi]). S175 passerade inom ett liknande avstånd. Som jämförelse är Schwarzschild-radien 0,08 AU (12 miljoner km; 7,4 miljoner mi). De bestämde också avståndet från jorden till det galaktiska centrumet (Vintergatans rotationscentrum), vilket är viktigt för att kalibrera astronomiska avståndsskalor, som 8 000 ± 600 parsecs (30 000 ± 2 000 ljusår ). I november 2004 rapporterade ett team av astronomer upptäckten av ett potentiellt svart hål med medelmassa, kallat GCIRS 13E, som kretsar 3 ljusår från Skytten A*. Detta svarta hål med 1 300 solmassor är inom en klunga av sju stjärnor. Denna observation kan ge stöd till idén att supermassiva svarta hål växer genom att absorbera närliggande mindre svarta hål och stjärnor.

Efter att ha övervakat stjärnbanor runt Sagittarius A* i 16 år, har Gillessen et al. uppskattade föremålets massa till4,31 ± 0,38 miljoner solmassor. Resultatet tillkännagavs 2008 och publicerades i The Astrophysical Journal 2009. Reinhard Genzel, teamledare för forskningen, sa att studien har levererat "det som nu anses vara det bästa empiriska beviset för att supermassiva svarta hål verkligen existerar. Stjärnan banor i Galactic Center visar att den centrala masskoncentrationen av fyra miljoner solmassor måste vara ett svart hål, bortom alla rimliga tvivel."

Den 5 januari 2015 rapporterade NASA att de observerade en röntgenstrålning 400 gånger starkare än vanligt, en rekordbrytare, från Sgr A*. Den ovanliga händelsen kan ha orsakats av att en asteroid gick sönder som faller i det svarta hålet eller av att magnetiska fältlinjer har trasslat in sig i gas som strömmar in i Sgr A*, enligt astronomer.

Den 13 maj 2019 bevittnade astronomer som använde Keck Observatory en plötslig ljusning av Sgr A*, som blev 75 gånger ljusare än vanligt, vilket tyder på att det supermassiva svarta hålet kan ha stött på ett annat föremål.

Supernova -rester kastar ut planetbildande material

Centralt svart hål

NuSTAR har fångat dessa första, fokuserade vyer av det supermassiva svarta hålet i hjärtat av Vintergatan i högenergiröntgenstrålar

I en tidning publicerad den 31 oktober 2018 tillkännagavs upptäckten av avgörande bevis för att Skytten A* är ett svart hål. Med hjälp av GRAVITY- interferometern och de fyra teleskopen i Very Large Telescope (VLT) för att skapa ett virtuellt teleskop med en diameter på 130 meter (430 fot) upptäckte astronomer gasklumpar som rörde sig med cirka 30 % av ljusets hastighet. Emission från högenergiska elektroner mycket nära det svarta hålet var synliga som tre framträdande ljusa flare. Dessa matchar exakt teoretiska förutsägelser för heta fläckar som kretsar nära ett svart hål på fyra miljoner solmassor. Lackorna tros härröra från magnetiska interaktioner i den mycket heta gasen som kretsar mycket nära Skytten A*.

I juli 2018 rapporterades det att S2 som kretsar kring Sgr A* hade registrerats vid 7 650 km/s (17,1 miljoner mph), eller 2,55 % av ljusets hastighet, vilket ledde fram till pericenterinflygningen, i maj 2018, vid cirka 120 AU (18 miljarder km ; 11 miljarder mi ) (ungefär 1 400 Schwarzschild-radier ) från Sgr A*. På det nära avståndet till det svarta hålet förutspår Einsteins teori om allmän relativitet (GR) att S2 skulle visa en urskiljbar gravitationsrödförskjutning utöver den vanliga hastighetsrödförskjutningen; gravitationsrödförskjutningen upptäcktes, i överensstämmelse med GR-förutsägelsen inom 10 procents mätprecision.

Om man antar att allmän relativitet fortfarande är en giltig beskrivning av gravitationen nära händelsehorisonten, är Sagittarius A*-radioemissionerna inte centrerade på det svarta hålet, utan uppstår från en ljus punkt i området runt det svarta hålet, nära händelsehorisonten, möjligen i accretionsskivan, eller en relativistisk stråle av material som kastas ut från skivan. Om den skenbara positionen för Skytten A* var exakt centrerad på det svarta hålet, skulle det vara möjligt att se det förstorat utöver dess storlek, på grund av gravitationslinsning av det svarta hålet. Enligt allmän relativitetsteori skulle detta resultera i en ringliknande struktur, som har en diameter på cirka 5,2 gånger det svarta hålets Schwarzschild-radie . För ett svart hål på cirka 4 miljoner solmassor motsvarar detta en storlek på cirka 52 μas, vilket överensstämmer med den observerade totala storleken på cirka 50 μas.

Senaste observationer med lägre upplösning avslöjade att radiokällan för Skytten A* är symmetrisk. Simuleringar av alternativa gravitationsteorier visar resultat som kan vara svåra att skilja från GR. Däremot förutspår en tidning från 2018 en bild av Skytten A* som överensstämmer med de senaste observationerna; i synnerhet förklarar den den lilla vinkelstorleken och den symmetriska morfologin hos källan.

Massan av Skytten A* har uppskattats på två olika sätt:

  1. Två grupper – i Tyskland och USA – övervakade banorna för enskilda stjärnor mycket nära det svarta hålet och använde Keplers lagar för att sluta sig till den inneslutna massan. Den tyska gruppen hittade en massa av4,31 ± 0,38 miljoner solmassor, medan den amerikanska gruppen fann4,1 ± 0,6 miljoner solmassor. Med tanke på att denna massa är instängd i en sfär med en diameter på 44 miljoner kilometer, ger detta en densitet som är tio gånger högre än tidigare uppskattningar.
  2. På senare tid har mätning av de riktiga rörelserna för ett prov på flera tusen stjärnor inom ungefär en parsek från det svarta hålet, kombinerat med en statistisk teknik, gett både en uppskattning av det svarta hålets massa vid3.6+0,2
    -0,4
    × 10 6
    M , plus en fördelad massa i den centrala parsec som uppgår till(1 ± 0,5 )
    x 106 M . Den senare tros vara sammansatt av stjärnor och stjärnrester .
Magnetar hittad mycket nära det supermassiva svarta hålet, Skytten A*, i mitten av Vintergatans galax

Den jämförelsevis lilla massan av detta supermassiva svarta hål, tillsammans med den låga ljusstyrkan hos radio- och infraröda emissionslinjer, antyder att Vintergatan inte är en Seyfert-galax .

I slutändan är det som ses inte det svarta hålet i sig, utan observationer som är konsekventa endast om det finns ett svart hål nära Sgr A*. När det gäller ett sådant svart hål kommer den observerade radio- och infraröda energin från gas och damm som värms upp till miljontals grader samtidigt som den faller ner i det svarta hålet. Det svarta hålet i sig tros endast sända ut Hawking-strålning vid en försumbar temperatur, i storleksordningen 10–14 kelvin .

Europeiska rymdorganisationens gammastrålningsobservatorium INTEGRAL observerade gammastrålar som interagerar med det närliggande gigantiska molekylmolnet Sagittarius B2, vilket orsakar röntgenstrålning från molnet. Den totala ljusstyrkan från detta utbrott ( L ≈1,5 × 10 39 erg/s) uppskattas vara en miljon gånger starkare än strömutgången från Sgr A* och är jämförbar med en typisk aktiv galaktisk kärna . År 2011 stöddes denna slutsats av japanska astronomer som observerade Vintergatans centrum med Suzaku - satelliten.

I juli 2019 rapporterade astronomer att de hittade en stjärna, S5-HVS1, som färdades 1 755 km/s (3,93 miljoner mph) eller 0,006 c . Stjärnan finns i stjärnbilden Grus ( eller Crane) på den södra himlen och cirka 29 000 ljusår från jorden och kan ha drivits ut ur Vintergatans galax efter att ha interagerat med Skytten A*, det supermassiva svarta hålet i mitten av galaxen.

Stjärnor som kretsar

Antagna banor av 6 stjärnor runt supermassiva svarta hålskandidaten Skytten A* i Vintergatans centrum
Stjärnor som rörde sig runt Sagittarius A* som de sågs 2018
Stjärnor som rörde sig runt Sagittarius A* som de sågs 2021

Det finns ett antal stjärnor i nära omloppsbana runt Skytten A*, som tillsammans är kända som "S-stjärnor". Dessa stjärnor observeras främst i K-bandets infraröda våglängder, eftersom interstellärt damm drastiskt begränsar synbarheten i synliga våglängder. Detta är ett snabbt föränderligt fält - 2011 plottades banorna för de mest framträdande stjärnorna som då var kända i diagrammet till höger, som visar en jämförelse mellan deras banor och olika banor i solsystemet. Sedan dess har S62 visat sig närma sig ännu närmare än dessa stjärnor.

De höga hastigheterna och närheterna till det supermassiva svarta hålet gör dessa stjärnor användbara för att fastställa gränser för de fysiska dimensionerna av Skytten A*, såväl som för att observera generella relativitetsrelaterade effekter som periapsförskjutning av deras banor. En aktiv övervakning upprätthålls för möjligheten att stjärnor närmar sig händelsehorisonten tillräckligt nära för att störas, men ingen av dessa stjärnor förväntas drabbas av det ödet. Den observerade fördelningen av planen för S-stjärnornas banor begränsar spinn av Skytten A* till mindre än 10 % av dess teoretiska maximala värde.

Från och med 2020 är S4714 den nuvarande rekordhållaren för närmaste inflygning till Skytten A*, på cirka 12,6 AU (1,88 miljarder km), nästan så nära som Saturnus kommer solen, och färdas med cirka 8 % av ljusets hastighet. Dessa siffror är ungefärliga, de formella osäkerheterna är12,6 ± 9,3 AU och23 928 ± 8 840 km/s . Dess omloppstid är 12 år, men en extrem excentricitet på 0,985 ger den en nära anslutning och hög hastighet.

Ett utdrag ur en tabell över detta kluster (se Skytten A*-kluster ), med de mest framträdande medlemmarna. I tabellen nedan är id1 stjärnans namn i Gillessen-katalogen och id2 i katalogen för University of California, Los Angeles. a, e, i, Ω och ω är standardorbitala element, med en mätt i bågsekunder . Tp är epoken för pericenterpassage, P är omloppsperioden i år och Kmag är stjärnans skenbara magnitud i K-bandet . q och v är pericenteravståndet i AU och pericenterhastigheten i procent av ljusets hastighet .

id1 id2 a e i (°) Ω (°) ω (°) Tp (år) P (år) Kmag q (AU) v (%c)
S1 S0-1 0,5950 0,5560 119,14 342,04 122.30 2001.800 166,0 14.70 2160,7 0,55
S2 S0-2 0,1251 0,8843 133,91 228,07 66,25 2018.379 16.1 13,95 118,4 2,56
S8 S0-4 0,4047 0,8031 74,37 315,43 346,70 1983.640 92,9 14.50 651,7 1.07
S12 S0-19 0,2987 0,8883 33,56 230,10 317,90 1995.590 58,9 15.50 272,9 1,69
S13 S0-20 0,2641 0,4250 24,70 74,50 245,20 2004.860 49,0 15.80 1242,0 0,69
S14 S0-16 0,2863 0,9761 100,59 226,38 334,59 2000.120 55,3 15.70 56,0 3,83
S62 0,0905 0,9760 72,76 122,61 42,62 2003.330 9.9 16.10 16.4 7.03
S4714 0,102 0,985 127,7 129,28 357,25 2017/29 12,0 17.7 12.6 8,0

Upptäckt av G2-gasmoln på en växtkurs

Först uppmärksammades som något ovanligt på bilder av Vintergatans centrum 2002, gasmolnet G2, som har en massa ungefär tre gånger jordens, bekräftades vara troligt på en kurs som tar det in i ansamlingszonen för Sgr A. * i en tidning publicerad i Nature 2012. Förutsägelser om dess omloppsbana föreslog att den skulle närma sig det svarta hålet (en perinigricon ) närmast i början av 2014, när molnet var på ett avstånd av drygt 3 000 gånger radien av händelsen horisont (eller ≈260 AU, 36 ljustimmar) från det svarta hålet. G2 har observerats vara störande sedan 2009, och förutspåddes av vissa att bli helt förstörd av mötet, vilket kunde ha lett till en betydande ljusning av röntgenstrålar och andra utsläpp från det svarta hålet. Andra astronomer föreslog att gasmolnet kunde dölja en dunkel stjärna, eller en binär stjärnsammanslagningsprodukt, som skulle hålla ihop den mot tidvattenkrafterna från Sgr A*, vilket gör att ensemblen kan passera utan någon effekt. Utöver tidvatteneffekterna på själva molnet, föreslogs det i maj 2013 att G2, före dess perinigricon, kan uppleva flera nära möten med medlemmar av de svarta håls- och neutronstjärnpopulationerna som tros kretsa nära Galactic Center, ger lite inblick i regionen kring det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan.

Den genomsnittliga ansamlingshastigheten på Sgr A* är ovanligt liten för ett svart hål av dess massa och kan bara detekteras eftersom det är så nära jorden. Man trodde att passagen av G2 2013 kunde ge astronomer chansen att lära sig mycket mer om hur material ansamlas i supermassiva svarta hål. Flera astronomiska anläggningar observerade detta närmaste tillvägagångssätt, med observationer bekräftade med Chandra, XMM, VLA, INTEGRAL, Swift, Fermi och begärda vid VLT och Keck .

Simuleringar av passagen gjordes innan den hände av grupper vid ESO och Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

När molnet närmade sig det svarta hålet sa Dr Daryl Haggard, "Det är spännande att ha något som känns mer som ett experiment", och hoppades att interaktionen skulle ge effekter som skulle ge ny information och insikter.

Ingenting observerades under och efter molnets närmaste närmande till det svarta hålet, vilket beskrevs som en brist på "fyrverkerier" och en "flopp". Astronomer från UCLA Galactic Center Group publicerade observationer som erhölls den 19 och 20 mars 2014 och drog slutsatsen att G2 fortfarande var intakt (i motsats till förutsägelser för en enkel gasmolnhypotes) och att molnet sannolikt hade en central stjärna.

En analys publicerad den 21 juli 2014, baserad på observationer från ESO :s Very Large Telescope i Chile, drog alternativt slutsatsen att molnet, snarare än att vara isolerat, kan vara en tät klump i en kontinuerlig men tunnare ström av materia, och skulle fungera som en konstant bris på materiaskivan som kretsar runt det svarta hålet, snarare än plötsliga vindbyar som skulle ha orsakat hög ljusstyrka när de träffade, som ursprungligen förväntats. Som stöd för denna hypotes hade G1, ett moln som passerade nära det svarta hålet för 13 år sedan, en omloppsbana nästan identisk med G2, i överensstämmelse med båda molnen, och en gassvans som tros vara efter G2, alla är tätare klumpar i en stor enskild gas ström.

Professor Andrea Ghez et al. föreslog 2014 att G2 inte är ett gasmoln utan snarare ett par dubbelstjärnor som hade kretsat om det svarta hålet i tandem och smält samman till en extremt stor stjärna.

Konstnärsintryck av anhopningen av gasmoln G2 på Sgr A*. Kredit: ESO
Denna simulering visar ett gasmoln, upptäckt 2011, när det passerar nära det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan
Den här videosekvensen visar rörelsen av det dammiga molnet G2 när det närmar sig, och sedan passerar, det supermassiva svarta hålet i mitten av Vintergatan.

Se även

Referenser

Vidare läsning

externa länkar