Astronomen gebruikten de Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) van de National Science Foundation om het eerste directe beeld te maken van een stoffige, donutvormig kenmerk rond het superzware zwarte gat in de kern van een van de krachtigste radiosterrenstelsels in het heelal - een kenmerk dat bijna vier decennia geleden door theoretici voor het eerst werd gepostuleerd als een essentieel onderdeel van dergelijke objecten.

De wetenschappers bestudeerden Cygnus A, een melkwegstelsel op zo'n 760 miljoen lichtjaar van de aarde. De melkweg herbergt een zwart gat dat 2,5 miljard keer massiever is dan de zon in de kern. Terwijl de krachtige aantrekkingskracht van het zwarte gat omringend materiaal aantrekt, het stuwt ook supersnelle materiaalstralen naar buiten met bijna de lichtsnelheid, produceren van spectaculaire "lobben" van heldere radio-emissie.

Door een zwart gat aangedreven "centrale motoren" die heldere emissie produceren bij verschillende golflengten, en jets die zich tot ver buiten de melkweg uitstrekken, komen veel voor in veel melkwegstelsels, maar vertonen verschillende eigenschappen wanneer ze worden waargenomen. Die verschillen leidden tot verschillende namen, zoals quasars, blazers, of Seyfert-sterrenstelsels. Om de verschillen uit te leggen, theoretici construeerden een "verenigd model" met een gemeenschappelijke reeks kenmerken die verschillende eigenschappen zouden vertonen, afhankelijk van de hoek van waaruit ze worden bekeken.

Het uniforme model omvat het centrale zwarte gat, een roterende schijf van invallend materiaal rond het zwarte gat, en de jets die vanaf de polen van de schijf naar buiten schieten. In aanvulling, om uit te leggen waarom hetzelfde type object er anders uitziet vanuit verschillende hoeken, een dikke, stoffig, donutvormige "torus" is inbegrepen, rondom de binnenste delen. De torus verdoezelt sommige kenmerken van opzij gezien, wat leidt tot duidelijke verschillen voor de waarnemer, zelfs voor intrinsiek vergelijkbare objecten. Astronomen noemen deze gemeenschappelijke reeks kenmerken in het algemeen een actieve galactische kern (AGN).

"De torus is een essentieel onderdeel van het AGN-fenomeen, en er bestaat bewijs voor dergelijke structuren in nabijgelegen AGN met een lagere helderheid, maar we hebben er nog nooit een rechtstreeks gezien in zo'n helder uitzendend radiostelsel, " zei Chris Carilli, van het National Radio Astronomy Observatory (NRAO). "De torus helpt verklaren waarom objecten met verschillende namen eigenlijk hetzelfde zijn, gewoon vanuit een ander perspectief bekeken, " hij voegde toe.

In de jaren vijftig, astronomen ontdekten objecten die sterk radiogolven uitzenden, maar leek puntig, vergelijkbaar met verre sterren, wanneer later waargenomen met zichtbaar licht telescopen. In 1963, Maarten Schmidt van Caltech ontdekte dat een van deze objecten extreem ver weg was, en meer van dergelijke ontdekkingen volgden snel. Om uit te leggen hoe deze objecten, quasars genoemd, kan zo helder zijn, theoretici suggereerden dat ze de enorme zwaartekrachtsenergie van superzware zwarte gaten moesten aftappen. De combinatie van zwart gat, de roterende schijf, een accretieschijf genoemd, en de jets werden de 'centrale motor' genoemd die verantwoordelijk was voor de overvloedige energie-uitstortingen van de objecten.

Hetzelfde type centrale motor leek ook de output van andere soorten objecten te verklaren, inclusief radiosterrenstelsels, blazers, en Seyfert-sterrenstelsels. Echter, elk vertoonde een andere reeks eigenschappen. Theoretici werkten aan de ontwikkeling van een "unificatieschema" om uit te leggen hoe hetzelfde er anders uit zou kunnen zien. 1977, verduistering door stof werd voorgesteld als een onderdeel van dat schema. In een krant uit 1982 Robert Antonucci, van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, presenteerde een tekening van een ondoorzichtige torus - een donutvormig object - rond de centrale motor. Vanaf dat moment, een verduisterende torus is een veelvoorkomend kenmerk van de uniforme kijk van astronomen op alle soorten actieve galactische kernen.

"Cygnus A is het dichtstbijzijnde voorbeeld van een krachtig radio-emitterend sterrenstelsel - 10 keer dichterbij dan enig ander met een vergelijkbaar heldere radio-emissie. Die nabijheid stelde ons in staat de torus te vinden in een VLA-beeld met hoge resolutie van de kern van het sterrenstelsel, " zei Rick Perley, ook van NRAO. "Om meer van dit soort werk te doen op zwakkere en verder weg gelegen objecten, zal vrijwel zeker de orde van grootte verbetering in gevoeligheid en resolutie nodig zijn die de voorgestelde Next Generation Very Large Array (ngVLA) zou brengen, " hij voegde toe.

De VLA-waarnemingen onthulden direct het gas in de torus van Cygnus A, met een straal van bijna 900 lichtjaar. Langdurige modellen voor de torus suggereren dat het stof zich in wolken bevindt die ingebed zijn in het enigszins klonterige gas.

"Het is echt geweldig om eindelijk direct bewijs te zien van iets waarvan we lang hebben aangenomen dat het er zou moeten zijn, " zei Carilli. "Om de vorm en samenstelling van deze torus nauwkeuriger te bepalen, we moeten verder observeren. Bijvoorbeeld, de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) kan waarnemen op de golflengten die het stof direct onthullen, " hij voegde toe.

Carilli en Perley, met hun collega's Vivek Dhawan, ook van NRAO, en Daniel Perley van de Liverpool John Moores University in het VK, ontdekten de torus bij de follow-up van hun verrassende ontdekking in 2016 van een nieuwe, helder object nabij het centrum van Cygnus A. Dat nieuwe object, ze zeiden, is hoogstwaarschijnlijk een tweede superzwaar zwart gat dat pas onlangs nieuw materiaal tegenkwam dat het zou kunnen verslinden, waardoor het heldere emissie produceert op dezelfde manier als het centrale zwarte gat. Het bestaan ​​van het tweede zwarte gat, ze zeiden, suggereert dat Cygnus A in het astronomisch recente verleden is gefuseerd met een ander sterrenstelsel.

Cygnus A, zo genoemd omdat het het krachtigste radio-emitterende object in het sterrenbeeld Cygnus is, werd in 1946 ontdekt door de Engelse natuurkundige en radioastronoom J.S. Hallo. Het was afgestemd op een zichtbaar licht, gigantische melkweg door Walter Baade en Rudolf Minkowski in 1951. Het werd een vroeg doelwit voor de VLA kort na de voltooiing ervan in de vroege jaren tachtig. Gedetailleerde VLA-afbeeldingen van Cygnus A, gepubliceerd in 1984, zorgden voor grote vooruitgang in het begrip van astronomen van dergelijke sterrenstelsels.

The scientists are reporting their findings in the Astrofysische journaalbrieven .