Masywny obiekt leżący w centrum Drogi Mlecznej jest w rzeczywistości niewidoczny, ale powstałe w tym roku zdjęcie kłębiącej się wokół niego plazmy pozwoli nam dowiedzieć się więcej o historii i ewolucji samej Galaktyki.
Czarne dziury mają swoje tajemnice. Skrywają wszystko, co do nich wpadnie. Nawet światło nie może uciec od ich siły przyciągania. Wydawałoby się więc, że czarna dziura powinna być po prostu niewidzialna, a zrobienie jej zdjęcia jest niemożliwe. Wielkie emocje towarzyszyły ujawnieniu w 2019 roku pierwszego takiego „zdjęcia” czarnej dziury. Z kolei całkiem niedawno, wiosną 2022 roku, astronomowie opublikowali kolejny obraz czarnej dziury – tym razem tej znajdującej się w centrum naszej Drogi Mlecznej.
Widać na nim pomarańczową plamę w kształcie pączka, na pierwszy rzut oka bardzo podobną do wcześniejszego „zdjęcia” czarnej dziury leżącej w centrum galaktyki Messier 87. Jednak czarna dziura w Drodze Mlecznej, w obszarze zwartego radioźródła Sagittarius A*, jest w rzeczywistości znacznie mniejsza od tej pierwszej i była dużo trudniejsza do dostrzeżenia, gdyż trzeba ją było podglądać poprzez dysk naszej Galaktyki. I choć obserwacje rodzimej galaktycznej czarnej dziury były prowadzone w tym samym czasie, co obserwacje tej w M87, utworzenie końcowego obrazu zajęło naukowcom dodatkowe trzy lata. Realizacja tego zadania wymagała międzynarodowej współpracy setek astronomów, inżynierów i informatyków, a także opracowania skomplikowanych algorytmów komputerowych, które pozwoliły poskładać ostateczny obraz z surowych, fragmentarycznych danych.
Otrzymane „zdjęcia” nie pokazują oczywiście bezpośrednio czarnej dziury, definiowanej jako obszar czasoprzestrzeni wewnątrz granicy wyznaczającej „punkt bez powrotu”, zwanej horyzontem zdarzeń. W rzeczywistości rejestrują fragmenty płaskiego placka gorącej plazmy wirującej wokół czarnej dziury z dużą prędkością w tak zwanym dysku akrecyjnym. Plazma te składa się z wysokoenergetycznych, naładowanych elektrycznie cząstek. Gdy wiruje wokół czarnej dziury, te silnie przyspieszone cząstki emitują (na skutek zmiany ruchu – przyśpieszenia) fale radiowe. Niewyraźny, pomarańczowy pierścień widoczny na obrazach bezpośredniego otoczenia czarnych jest zatem skomplikowaną rekonstrukcją tych fal radiowych, uchwyconych łącznie przez osiem teleskopów rozrzuconych po całej Ziemi i znanych pod wspólną nazwą Teleskop Horyzontu Zdarzeń (ang. Event Horizon Telescope, EHT).
Najnowsze zdjęcie przedstawia niezwykłą wędrówkę fal radiowych z centrum Drogi Mlecznej do teleskopów EHT. Efekt to nieobserwowane dotąd szczegóły obiektu Sagittarius A*. Obraz ten stanowi również jeden z najważniejszych wizualnych dowodów na słuszność Ogólnej Teorii Względności. To nie wszystko – badania supermasywnych czarnych dziur takich jak ta pomogą naukowcom dowiedzieć się więcej o ewolucji galaktyk i ich gromadzeniu się w formie rozległych gromad w całym Wszechświecie.
Czarna dziura w radioźródle Sagittarius A* jest 1600 razy mniejsza od czarnej dziury w galaktyce Messier 87 zobrazowanej w 2019 roku, znajduje się też mniej więcej 2100 razy bliżej Ziemi. Wynika z tego, że te dwie czarne dziury na niebie wydawałyby się nam obiektami mniej więcej tej samej wielkości. Geoffrey Bower, pracownik projektu EHT w Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics na Tajwanie, twierdzi, że rozdzielczość wymagana do zaobserwowania Sagittariusa A* z Ziemi jest taka sama, jaka byłaby potrzebna do zrobienia z niej zdjęcia pomarańczy znajdującej się na powierzchni Księżyca!
Centrum naszej galaktyki znajduje się 26 000 lat świetlnych od Ziemi, więc fale radiowe starannie zbierane w celu stworzenia obrazu centralnej czarnej dziury zostały wyemitowane mniej więcej w czasie, gdy powstawały najwcześniejsze za znanych stałych osad ludzkich. Podróż tych fal radiowych rozpoczęła się w momencie, gdy wysłały je ku nam naładowanie, przyspieszane cząstki krążące w dysku akrecyjnym czarnej dziury. Przy długości fali wynoszącej około 1 mm to promieniowanie elektromagnetyczne podróżowało w kierunku Ziemi w zasadzie swobodnie, słabo rozpraszane przez galaktyczny gaz i pył. Gdyby długość fali była znacznie krótsza, tak jak w przypadku światła widzialnego, fale te byłyby silniej rozpraszane przez pył. Gdyby z kolei była znacznie większa, fale zostałyby dodatkowo ugięte przez naładowane obłoki plazmy na ich drodze, co spowodowałoby wypaczenie obrazu.
Wreszcie, po 26 000-letniej podróży, fale radiowe zostały odebrane i zarejestrowane w obserwatoriach radiowych rozmieszczonych na naszej planecie. Duża odległość pomiędzy tymi obserwatoriami miała zasadnicze znaczenie, bo pozwoliła naukowcom wykryć subtelne różnice w parametrach fal radiowych zebranych w każdym pojedynczym miejscu obserwacji, dzięki zjawisku interferometrii. Te niewielkie różnice są w praktyce wykorzystywane do odszyfrowania najmniejszych różnic w odległości, jaką każda fala radiowa przebywa od swojego źródła do celu na Ziemi. Przy użyciu algorytmów komputerowych uczeni zdołali odtworzyć te różnice w długości drogi fal, aby ostatecznie zrekonstruować kształt obiektu, który je wyemitował. Złożyli następnie te dane w obraz w sztucznych barwach, gdzie pomarańczowy kolor reprezentuje fale radiowe o wysokiej intensywności, a czarny – o niskiej.
Każdy teleskop odbiera jednak tylko niewielką część sygnału radiowego – dodaje Fulvio Melia, astrofizyk z Uniwersytetu w Arizonie. Ponieważ brakuje nam dużej części sygnału, zamiast zobaczyć krystalicznie czyste zdjęcie, widzimy coś, co jest nieco zamglone, rozmyte.
Tak czy inaczej, obraz ukazuje szczegóły horyzontu zdarzeń czarnej dziury, czyli ostatecznej granicy, do której cokolwiek może się tam zbliżyć, nie będąc wessanym do środka (po przekroczeniu horyzontu zdarzeń nawet światło nie może już uciec). Na podstawie tych szczegółów naukowcy byli w stanie dokładniej oszacować rozmiar horyzontu zdarzeń i wywnioskować, że dysk akrecyjny czarnej dziury jest nachylony o ponad 40 stopni w stosunku do dysku Drogi Mlecznej, tak że widzimy raczej okrągłą, płaską tarczę dysku akrecyjnego, a nie cienki skrawek jego krawędzi. Gdyby jednak nawet ten dysk akrecyjny był ustawiony krawędzią do Ziemi, potężna grawitacja czarnej dziury wypacza przestrzeń wokół niej tak silnie, że światło emitowane z odwrotnej w stosunku do nas strony czarnej dziury byłoby wygięte i docierały do nas także, tworząc podobny do pierścienia obraz niezależnie od orientacji przestrzennej dysku. Skąd więc naukowcy znają jego orientację przestrzenną? Dzięki temu, że obserwowany pierścień światła jest w przybliżeniu okrągły. Gdybyśmy oglądali dysk akrecyjny od strony krawędzi, byłby on znacznie bardziej spłaszczony i podłużny.
Obraz radiowy czarnej dziury w Drodze Mlecznej to dodatkowo możliwość zajrzenia do serca naszej Galaktyki, która pomoże wypełnić luki w naszym rozumieniu ewolucji galaktyk i całej wielkoskalowej struktury Wszechświata. Gęsty, masywny obiekt taki jak Sagittarius A* wpływa na ruchy gwiazd i pyłu w swoim otoczeniu, a to z kolei ma wpływ na to, jak cała Galaktyka zmienia się w czasie. Właściwości czarnej dziury, takie jak na przykład kierunek, w którym wiruje, zależą od historii jej dawniejszych zderzeń – być może z gwiazdami lub innymi czarnymi dziurami. Czarne dziury, nawet te supermasywne, nie są zatem statyczne. Podobnie jak inne obiekty Wszechświata tworzą część całego ekosystemu zjawisk, które wciąż ewoluują.
Nowy obraz czarnej dziury Sagittarius A* potwierdza i doprecyzowuje wcześniejsze przewidywania dotyczące jej rozmiaru i orientacji. Masa czarnej dziury określa jej rozmiar – lub to, co naukowcy nazywają średnicą grawitacyjną. Granica, za którą światło nie może już wydostać się z czarnej dziury, zwana horyzontem zdarzeń, jest definiowana przez tę masę oraz przez spin (moment pędu, parametr związany z obrotem wokół osi) czarnej dziury. Gorąca plazma przyspiesza wokół masywnego obiektu w dysku akrecyjnym, emitując przy tym fale radiowe. Te fale są uginane i wypaczane przez grawitację, dając w rezultacie obraz zewnętrznych, pomarańczowych okręgów. Cień czarnej dziury i pierścień emisji widoczne na obrazie są grawitacyjnie soczewkowanymi rzutami odpowiednio drugiej strony horyzontu zdarzeń i dysku akrecyjnego czarnej dziury. Źródło: Publikacja Zespołu.
Najnowszy obraz czarnej dziury powstał przy użyciu techniki zwanej interferometrią radiową, w której dokonuje się porównania fal radiowych emitowanych przez czarną dziurę i zebranych przez osiem różnych teleskopów rozmieszczonych na całym świecie. Jeśli dwa teleskopy zbierały fale, które były „w fazie”, co oznacza, że ich wierzchołki (maksima) były ustawione w jednej linii, te dwie fale dodawały się do siebie, tworząc jasną plamę na obrazie. Jeśli natomiast fale były niezgodne w fazie, co oznacza, że maksimum jednej z fal pokrywało się z minimum drugiej, fale wzajemnie się znosiły, tworząc ciemną plamę na obrazie. Współpracujące ze sobą teleskopy są w stanie zebrać znacznie bardziej szczegółowe dane niż każdy z nich samodzielnie. Źródło: Publikacja Zespołu.
Czytaj więcej:
- Astronarium nr 78 o pierwszym w historii obrazie czarnej dziury
- Oryginalny artykuł
- Naukowe Czwartki: Czarna dziura na talerzu – czyli jak powstało zdjęcie supermasywnej czarnej dziury
- Cień czarnej dziury w M87 chybocze się
- Czy można przeżyć podróż przez horyzont zdarzeń?
Źródło: Astronomy.com
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciu: Naukowcy przeprowadzili liczne symulacje wirującej otoczki z plazmy, która otacza czarną dziurę w Drodze Mlecznej. Cały film pokazuje ten wariant animowanego modelu komputerowego, który najlepiej odzwierciedla dane o falach radiowych zebrane przez teleskop EHT. Źródło: Abhishek Joshi/UIUC
