Astronomowie zaprezentowali pierwsze zdjęcie supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Uzyskany obraz to efekt długotrwałej analizy danych zebranych przez globalną sieć radioteleskopów zwaną Teleskopem Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope – EHT). W odkryciu mieli udział polscy astronomowie. Wyniki zostały zaprezentowane przez Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) i EHT.
12 maja 2022 roku w siedzibie ESO oraz w kilku innym miejscach na świecie odbyły się równocześnie konferencje prasowe. Naukowcy zaprezentowali przełomowe obserwacje dotyczące centrum Drogi Mlecznej, dokonane przez EHT. Pokazano obraz supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Widać na nim cień czarnej dziury oraz jasny pierścień tuż obok jej horyzontu zdarzeń. Rozmiar cienia czarnej dziury ma około 52 mikrosekundy łuku na niebie. Odpowiada to mniej więcej rozmiarowi pączka położonego na powierzchni Księżyca, gdybyśmy patrzyli na niego z Ziemi.
Istnienie supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej nie jest niespodzianką. Astronomowie od dawna podejrzewali, że taki obiekt istnieje – sądzą zresztą, że większość galaktyk ma swoich centrach supermasywne czarne dziury. Jednak jak dotąd najmocniejszym dowodem na czarną dziurę w miejscu radioźródła Sagittarius A* były obserwacje orbit gwiazd w jego pobliżu przez bardzo długi czas (aż 30 lat). Ruchy te wyraźnie wskazują, że w tym miejscu znajduje się niewidoczny obiekt o masie cztery miliony razy większej niż masa Słońca (czyli musi to być czarna dziura).
Pokazane dzisiaj obrazy to pierwsze bezpośrednie wizualne potwierdzenie istnienia czarnej dziury Sgr A*. Naukowcy mówią, że są oszołomieni tym, jak dobrze rozmiar pierścienia zgadza się z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina.
Zdjęcie pokazuje sieć radioteleskopów ALMA patrzącą na Drogę Mleczną oraz położenie Sagittarius A*, supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki. W ramce pokazano obraz źródła Sagittarius A* uzyskany przez EHT. ALMA jest najbardziej czułym ze wszystkich obserwatoriów sieci EHT. Źródło: ESO/José Francisco Salgado (josefrancisco.org), EHT Collaboration
Trudniejszy przypadek niż poprzednio
Prezentowane zdjęcie czarnej dziury Sagittarus A* nie jest pierwszym obrazem czarnej dziury, jakim dysponujemy. W 2019 roku pokazano bowiem wyniki obserwacji Teleskopu Horyzontu Zdarzeń dotyczące galaktyki Messier 87. Czarna dziura M87* znajduje się dużo dalej niż ta w naszej galaktyce – dlaczego więc aż tyle czasu trzeba było czekać na wyniki dla Sgr A*?
Oba obiekty mają podobny rozmiar kątowy na niebie, ale M87* prezentuje dużo stabilniejszy „widok”, a Sgr A* wykazuje zdecydowanie większą zmienność w swoim otoczeniu. W obu przypadkach prędkości gazu krążącego tuż przy horyzoncie zdarzeń są takie same (bliskie prędkości światła), jednak obiegnięcie orbity wokół M87* zajmuje dni, a nawet tygodnie (bo jest dużo większa), a pokonanie orbity wokół Sgr A* to skala zaledwie minut. Jasność i struktury gazu wokół czarnej dziury w naszej galaktyce zmieniają się przez to dużo gwałtowniej i naukowcy musieli opracować metody uwzględniające ten fakt, aby móc uzyskać obraz.
Główny obraz został utworzony poprzez uśrednianie tysięcy obrazów wytworzonych przy pomocy różnych metod obliczeniowych. Przygotowano też animację wideo tłumaczącą, w jaki sposób rekonstruowane były obrazy obu czarnych dziur:
Porównanie czarnych dziur
Czarne dziury mają masy i promienie związane ze sobą wprost proporcjonalnie. Jeśli jakaś czarna dziura jest tysiąc razy masywniejsza od drugiej, będzie też tysiąc razy większa. Ale na niebie zarówno M87*, jak i Sgr A* mają zbliżone rozmiary kątowe, pomimo tego, że pierwsza jest około 1600 razy większa od drugiej. Wynika to z różnej odległości Ziemi od tych obiektów – do czarnej dziury w Drodze Mlecznej mamy 27 tysięcy lat świetlnych, a do tej w galaktyce Messier 87 aż 55 milionów lat świetlnych.
Jednak pomimo tego, iż typy obu galaktyk są różne, a masy obu czarnych dziur są o rzędy wielkości inne, obiekty te są podobne. W pobliżu brzegów czarnych dziur wyglądają niesamowicie podobnie, a to wskazuje, że ogólna teoria względności rządzi tymi obiektami z bliska, natomiast jakiekolwiek różnice, które widzimy w dalszej odległości, muszą wynikać z różnic w strukturze materii, która otacza czarne dziury.
Naukowcy dysponują teraz obrazami dwóch supermasywnych czarnych dziur – jedna z nich należy górnego krańca przedziału mas i wielkości tego typu obiektów (M87*), a druga mieści się w dolnych granicach supermasywnych czarnych dziur (Sgr A*). Dzięki temu można będzie zbadać różnice pomiędzy nimi i lepiej przetestować zachowanie grawitacji w tak ekstremalnych środowiskach.
Na poniższym zdjęciu widać porównanie pierwszych obrazów czarnych dziur.
Porównanie obrazów dwóch czarnych dziur. Po lewej M87*, a po prawej Sgr A*. Źródło: EHT Collaboration
Z kolei następna ilustracja prezentuje rozmiary obu obiektów w odniesieniu do różnych skal w Układzie Słonecznym, takich jak orbita Plutona, orbita Merkurego, średnica Słońca czy aktualne położenie sondy Voyager 1 – najbardziej oddalonego statku kosmicznego wysłanego z Ziemi.
Porównanie rozmiarów dwóch czarnych dziur: M87* i Sgr A*. Źródło: EHT collaboration (acknowledgment: Lia Medeiros, xkcd)
Międzynarodowy wysiłek z polskim udziałem
Odkrycie było możliwe dzięki pracy dużego międzynarodowego zespołu naukowców. Swój wkład wniosło ponad 300 naukowców z 80 instytutów z różnych krajów świata. Obserwacje prowadzono w kwietniu 2017 roku i wzięły w nich udział następujące radioteleskopy: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), IRAM 30-meter Telescope, James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), Submillimeter Array (SMA), UArizona Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT). Później do sieci EHT dodano także: Greenland Telescope (GLT), NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) oraz UArizona 12-meter Telescope na Kitt Peak.
Mapa świata pokazuje obserwatoria radiowe, które wchodzą w skład sieci Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope, EHT), wykorzystanej do zobrazowania centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej, zwanej Sagittarius A*. Teleskopy zaznaczone na żółto były częścią sieci EHT podczas obserwacji źródła Sagittarius A* w 2017 roku. Lista obejmuje: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), 30-metrowy teleskop IRAM, James Clark Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope (LMT), Submillimeter Array (SMA), Submillimetere Telescope (SMT) oraz South Pole Telescope (SPT). Trzy teleskopy zaznaczone na niebiesko zostały dodane do projektu EHT po 2018 roku: Greenland Telescope, NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) we Francji oraz UArizona ARO 12-meter Telescope na Kitt Peak. Źródło: ESO/M. Kornmesser
Warto dodać, że istotny wkład w odkrycie ma Europa. W badaniach uczestniczyło wielu europejskich naukowców – część wspomnianych wyżej teleskopów to instrumenty europejskie lub z europejskim udziałem (nawet jeśli umiejscowione są na innych kontynentach). W Europie działa też jeden z superkomputerów służących do łączenia danych zbieranych przez EHT – znajduje się w Instytucie Radioastronomii im. Maxa Plancka w Bonn. Europa też w istotny sposób finansowała badania poprzez granty od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych oraz Towarzystwa Maxa Plancka w Niemczech.
W tym ważnym odkryciu nie mogło zabraknąć także Polaków. W zespole EHT jest ich dwoje: prof. Monika Mościbrodzka z Radboud University w Nijmegen (Holandia) oraz dr Maciej Wielgus z Instytutu Radioastronomii im. Maxa Plancka. Profesor Mościbrodzka wniosła istotny wkład w teorię, a dr Wielgus w przetwarzanie danych – jest pierwszym autorem jednej z publikacji, dotyczącej krzywych zmian blasku Sgr A*.
Wyniki badań opublikowano w serii artykułów, które ukazały się w specjalnym wydaniu naukowego czasopisma „The Astrophysical Journal Letters”. Dzięki temu, iż naukowcy mają teraz do dyspozycji obrazy dwóch supermasywnych czarnych dziur, mogą zbadać różnice pomiędzy nimi i lepiej niż do tej pory przetestować zachowanie grawitacji w ekstremalnych warunkach.
Składanka zdjęć obserwatoriów radiowych, które tworzą sieć Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT), wykorzystaną do zobrazowania centralnej czarnej dziury Drogi Mlecznej, zwanej Sagittarius A*. Obejmuje obserwatoria: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), 30-metrowy teleskop IRAM, James Clark Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope (LMT), Submillimeter Array (SMA), Submillimetere Telescope (SMT) oraz South Pole Telescope (SPT)
Lekko przezroczyste teleskopy w tle reprezentują trzy teleskopy dodane do współpracy EHT po 2018 roku: Greenland Telescope, NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) we Francji oraz UArizona ARO 12-meter Telescope na Kitt Peak. Teleskopy te dodano do sieci po przeprowadzeniu obsewracji źródła Sagittarius A* z 2017 roku.
Źródło: ESO/M. Kornmesser. Zdjęcia poszczególnych teleskopów:
ALMA: ESO
APEX: ESO
LMT: INAOE Archives
GLT: N. Patel
JCMT: EAO-W. Montgomerie
SMT: D. Harvey
30m: N. Billot
SPT: Wikipedia
SMA: S. R. Schimpf
NOEMA: IRAM
Kitt Peak: Wikipedia
Droga Mleczna: N. Risinger (skysurvey.org)
Więcej informacji
Komunikat prasowy ESO: Astronomowie prezentują pierwszy obraz czarnej dziury w sercu naszej galaktyki
Komunikat prasowy EHT:
Publikacje naukowe:
- I: The Shadow of the Supermassive Black Hole in the Center of the Milky Way
- II: EHT and Multi-wavelength Observations, Data Processing, and Calibration
- III: Imaging of the Galactic Center Supermassive Black Hole
- IV: Variability, Morphology, and Black Hole Mass
- V: Testing Astrophysical Models of the Galactic Center Black Hole
- VI: Testing the Black Hole Metric
- VII: Selective Dynamical Imaging of Interferometric Data
- VIII: Millimeter Light Curves of Sagittarius A* Observed during the 2017 Event Horizon Telescope Campaign
- IX: A Universal Power Law Prescription for Variability from Synthetic Images of Black Hole Accretion Flows
- X: Characterizing and Mitigating Intraday Variability: Reconstructing Source Structure in Accreting Black Holes with mm-VLBI
Autor: Krzysztof Czart
Źródło: ESO / EHT
Zdjęcie na samej górze:
Oto pierwszy obraz Sgr A*, supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Jest to pierwszy bezpośredni wizualny dowód istnienia tej czarnej dziury. Obraz został uzyskany przez Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope, EHT) - sieć łączącą razem osiem istniejących obserwatoriów radiowych na całej planecie. Źródło: EHT Collaboration
