Po raz pierwszy zaprezentowano obraz supermasywnej czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej. To przełomowe zdjęcie to efekt prac Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) oraz uczestników projektu o nazwie Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT).
Czarna dziura to obszar, w którym siła grawitacji jest tak potężna, że nie pozwala uciec żadnej materii, a nawet światłu. Aby powstała, bardzo dużo masy musi zgromadzić się w małej objętości. Matematyczna granica tego obszaru to tak zwany horyzont zdarzeń. Istnieją dwa główne rodzaje czarnych dziur – takie o masach zbliżonych do gwiazd oraz supermasywne czarne dziury – milion, a nawet miliard razy cięższe od Słońca.
To, że w centrum naszej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura, naukowcy podejrzewali od dość dawna. Najsilniejszym do tej pory dowodem były obserwacje ruchu gwiazd w pobliżu centrum (w tym Sagittarius A*, w skrócie Sgr A*). Wskazywały one na obecność w tym miejscu masy cztery miliony razy większej niż masa naszej gwiazdy. Ostatnio mamy szczęście obserwować wiele nowych, fascynujących obiektów kosmicznych. O wielu z nich pisaliśmy na naszym blogu, m.in. w tekście „Czarna dziura połyka gwiazdę neutronową”.
Zdjęcie czarnej dziury pierwszym potwierdzeniem
Zaprezentowane teraz zdjęcie jest pierwszym wizualnym i bezpośrednim potwierdzeniem istnienia tego obiektu w centrum Drogi Mlecznej. Widać na nim cień czarnej dziury i jasny pierścień wokół horyzontu zdarzeń. Obraz uzyskano w wyniku analizy danych z obserwatoriów radiowych, współpracujących w ramach projektu Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT).
Geoffrey Bower z Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica w Tajpej (Tajwan), powiedział: „jesteśmy oszołomieni tym, jak dobrze rozmiar pierścienia zgadza się z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina. Te bezprecedensowe obserwacje znacznie poprawiły zrozumienie tego, co dzieje się w samym centrum naszej galaktyki, i dają nowy wgląd w interakcje olbrzymiej czarnej dziury z otoczeniem”.
Pokazane zdjęcie nie jest pierwszym w historii obrazem czarnej dziury. W 2019 roku ogłoszono wyniki obserwacji cienia czarnej dziury z galaktyki Messier 87 (obiekt M87*). W obu przypadkach mamy do czynienia z supermasywnymi czarnymi dziurami. Występują jednak między nimi różnice – M87* jest około 1600 razy cięższa od Sgr A*. W przypadku czarnych dziur masa jest wprost proporcjonalna do promienia, a to oznacza, że M87* jest też jednocześnie 1600 razy większa. Istnieje jednak duża różnica odległości, co sprawia, że obie czarne dziury mają dla nas podobny rozmiar kątowy na niebie. M87* leży w odległości 55 milionów lat świetlnych od Ziemi, a od Sgr A* dzieli nas „tylko” 27 tysięcy lat świetlnych.
Naukowcy zauważają jednak, że mimo różnic, obiekty są bardzo do siebie podobne. Sera Markoff z University of Amsterdam w Holandii tłumaczy, że w tym przypadku mamy dwa zupełnie różne typy galaktyk i dwie zupełnie różne masy czarnych dziur – ale w pobliżu brzegów wyglądają one niesamowicie podobnie. To mówi nam, że ogólna teoria względności sprawdza się dla tych obiektów. Różnice wynikają z różnic w materii, która otacza te obiekty.
Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej trudna do obserwacji
Obserwacje czarnej dziury w centrum naszej galaktyki były dużo trudniejsze ze względu na dużo szybszą zmienność okolic czarnej dziury. W obu przypadkach gaz w pobliżu obiektu porusza się z taką samą prędkością, bliską prędkości światła. Jednak okrążenie M87* zajmuje mu dni, a nawet tygodnie, natomiast obiegnięcie całej orbity wokół Sgr A* to dla gazu zaledwie minuty. Oznacza to, że jasność i struktury gazu wokół Sgr A* zmieniają się dużo gwałtowniej, co utrudnia uzyskanie stabilnego obrazu. Naukowcy musieli opracować metody uwzględniające ruchy gazu. To było powodem, dla którego już kilka lat temu ogłoszono wyniki dla bardziej odległej czarnej dziury, a dopiero teraz dla Sgr A*.
Naukowcy dysponują teraz obrazami dwóch supermasywnych czarnych dziur – jednej z górnego, a drugiej z dolnego krańca przedziału mas tego rodzaju obiektów. To sprawia, że mogą badać różnice pomiędzy nimi i lepiej testować zachowanie grawitacji w tak ekstremalnych środowiskach. To na pewno nie koniec tego typu odkryć, ponieważ kampania obserwacyjna EHT prowadzona w marcu 2022 roku obejmowała więcej teleskopów niż wcześniej.
Doktor Maciej Wielgus to polski astrofizyk z Max Planck Institute for Radioastronomy, który brał udział w przetwarzaniu danych i jest pierwszym autorem jednej z publikacji poświęconych odkryciu. Badacz powiedział, że „zobaczenie po raz pierwszy centrum naszej galaktyki ma wręcz filozoficzne znaczenie. Ciekawie było zobaczyć jakąś czarną dziurę po raz pierwszy w historii. M87 jest od nas odległa o 55 mln lat świetlnych, ale w skali wszechświata to nasz bliski sąsiad. Teraz widzimy po raz pierwszy najgłębsze centrum naszej własnej galaktyki, wokół którego wszyscy obracamy się z prędkością jednego obrotu na 250 milionów lat. To jest nasza czarna dziura”.
Astrofizyk podkreślił, że ta praca ma przede wszystkim znaczenie naukowe. Powiedział, że „większość astrofizyków uważa, iż Sagittarius A* to najbardziej interesująca czarna dziura we wszechświecie, m.in. dlatego że wszystko wokół niej dzieje się bardzo szybko. A to sprzyja badaniom dynamiki tego obiektu i jego otoczenia”. Naukowiec przyznaje, że astrofizycy bardzo chcą zrozumieć, co się dzieje w centrum Drogi Mlecznej. Powiedział, że „dzięki temu obrazowi dowiedzieliśmy się kilku nowych rzeczy. Zdobywamy specjalistyczną wiedzę, np. taką, że Sagittarius A* dynamicznie zmienia się w krótkiej skali czasowej. Oznacza to, że w przyszłości możemy studiować dynamikę opadania materii na czarną dziurę”.
Jedno zdjęcie czarnej dziury sprawia, że wiele rzeczy trzeba przemyśleć na nowo
Już teraz, dzięki zdjęciu czarnej dziury, widać, że jej zmienność jest nieco mniejsza niż wynikało to z modeli teoretycznych. Doktor Wielgus przyznał, że „w modelach czegoś brakuje, gdyż widać, iż prawdziwy obiekt jest trochę mniej zmienny niż wynika z obliczeń. Nie wiemy czemu. Sądzę, że wielu fizyków-teoretyków usiądzie teraz i spróbuje ustalić, dlaczego nasze najlepsze modele numeryczne przewidują nieco więcej zmienności, niż widzimy w tych obserwacjach”.
Warto zaznaczyć, że pokazany obraz czarnej dziury określono jako zdjęcie, ale z tradycyjną fotografią nie ma on nic wspólnego. Dr Wielgus powiedział, że „w przypadku czarnej dziury mamy inną metodę rekonstrukcji obrazu niż np. w aparacie fotograficznym”. Astronomowie zaprzęgli do pracy osiem radioteleskopów rozrzuconych w różnych miejscach świata. Łączyli je w pary w różnych konfiguracjach. Później, za pomocą tych par, obserwowali odległy obiekt w kosmosie. Współautor badań opowiedział, że „przy pomocy par radioteleskopów mierzymy jeden komponent obrazu. Mając osiem różnych teleskopów, możemy stworzyć 28 par, co pozwala zmierzyć 28 komponentów danego obrazu”.
Takim obserwacjom sprzyjają obroty Ziemi, które zmieniają geometrię trójkątów złożonych z dwóch teleskopów i obserwowanego obszaru. Astrofizyk tłumaczy, że „Ziemia się kręci, więc przez kilka godzin możemy zmierzyć wiele komponentów obrazu. Następnie dokonujemy numerycznej rekonstrukcji obrazu – przy pomocy obliczeń możemy uzupełnić brakujące w obrazie dane. Nad tymi danymi – ich redukcją, kalibracją i zrozumieniem, co z nich wynika – siedzieliśmy pięć lat”.
Na naszym blogu często piszemy o czarnych dziurach i innych fascynujących obiektach kosmicznych. Polecamy nasze teksty, na przykład „Co znajduje się w czarnej dziurze? Odpowiedzi dostarczą obliczenia kwantowe i uczenie maszynowe”.
Źródła: Nauka w Polsce PAP i Nauka w Polsce PAP