W centrum galaktyki o nazwie Messier 87, około 55 milionów lat świetlnych stąd, wokół której cała materia galaktyki krąży, leży potwór: supermasywna czarna dziura. Mając około 6, 5 miliarda mas Słońca, czarna dziura w centrum M87 jest tak gęsta, że jej prędkość ucieczki lub prędkość potrzebna do ucieczki grawitacji obiektu jest większa niż prędkość światła. W związku z tym nawet fotony światła nie mogą uciec, gdy wędrują zbyt blisko.
Ale nie daj się zwieść nazwie „czarna dziura”. „W rodzaju paradoksu natury czarne dziury, które nie pozwalają światłu na ucieczkę, są jednymi z najjaśniejszych obiektów we wszechświecie” - mówi Shep Doeleman, starszy pracownik naukowy w Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i dyrektor z projektu Event Horizon Telescope (EHT), międzynarodowego wysiłku, aby bezpośrednio zobrazować supermasywną czarną dziurę za pomocą teleskopów na całym świecie.
Dzisiaj w ramach projektu EHT, w tym ośmiu obserwatoriów i ponad 60 instytucji naukowych z ponad 20 krajów, opublikowano pierwszy obraz czarnej dziury. „Po raz pierwszy widzę ten obraz w tej chwili”, mówi France Córdova, dyrektor National Science Foundation (NSF), na konferencji prasowej w National Press Club. „I to wywołało łzy w moich oczach. To bardzo ważna sprawa. ”
W czasopiśmie Astrophysical Journal opublikowano również sześć prac naukowych, w których opisano pierwsze bezpośrednie obserwacje czarnej dziury.
Chociaż światło nie może uciec samej czarnej dziurze, rodzaj czarnej obwódki otacza każdą czarną dziurę, znaną jako horyzont zdarzeń. Każda materia, która wędruje poza horyzont zdarzeń, jest zużywana przez czarną dziurę, ale gdy gazy gromadzą się tuż poza horyzontem zdarzeń, są one podgrzewane do setek miliardów stopni, emitując ogromną ilość promieniowania w całej galaktyce. Horyzont zdarzeń wokół czarnej dziury M87 ma średnicę około 1, 5 dnia świetlnego lub około 40 miliardów kilometrów, mniej więcej taki sam rozmiar jak nasz Układ Słoneczny.
„Czego można się spodziewać, jeśli zobaczysz supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki i uważamy, że istnieją one w centrach większości galaktyk, to to, że intensywna grawitacja przyciąga gaz w pobliżu w kierunku czarnej dziury i ogrzewa się w górę - mówi Doeleman. „Próbujesz wtłaczać dużo gazu do najmniejszej objętości, jaką możesz sobie wyobrazić… i cały ten bardzo gorący gaz emituje [światło]”.
Po latach planowania przez ponad 200 międzynarodowych naukowców dane rzekomo pokazujące pierwszy obraz czarnej dziury są gotowe. Zespół zbiera się na wielkie odkrycie - jest to moment sejsmiczny w astrofizyce.Obserwacje czarnej dziury w centrum M87 pokazują, że obraca się ona zgodnie z ruchem wskazówek zegara. W dolnej części obrazu, gdzie pierścień światła jest jaśniejszy, obrót czarnej dziury przesuwa się w naszym kierunku, podczas gdy część pierścienia w górnej części obrazu odsuwa się.
Wykonanie zdjęcia płonącego gazu otaczającego horyzont zdarzeń czarnej dziury, który astronomowie nazywają „cieniem” lub „sylwetką” czarnej dziury, nie okazało się łatwym zadaniem. Czarna dziura M87 znajduje się w centrum galaktyki, ukryta za jasnymi gwiazdami i wielkimi pokosami gazu i pyłu. Aby złapać fotony światła, którym udaje się uciec ze studni grawitacyjnej supermasywnej czarnej dziury, przyciągnięte w kierunku horyzontu zdarzeń, zanim przelecą 55 milionów lat świetlnych przez M87 i przez przestrzeń międzygalaktyczną na Ziemię, astronomowie połączyli niektóre z najpotężniejszych fal radiowych teleskopy kiedykolwiek zbudowane, aby w pewnym sensie zbudować teleskop wielkości Ziemi.
„Istnieje specjalne pole o nazwie Bardzo długa interferometria linii bazowej, w którym łączy się anteny radiowe na całym świecie i uzyskuje się bardzo duże powiększenia” - mówi Doeleman. Obserwatoria radioastronomiczne, od teleskopu biegun południowy do teleskopu grenlandzkiego, przyczyniły się lub przyczynią obserwacje do EHT. „Dzięki technice VLBI, dzięki której cała Ziemia staje się teleskopem, musisz łączyć naczynia po obu stronach Ziemi za pomocą sieci zegarów atomowych i to właśnie robimy”.
Event Horizon Telescope zebrał dane dla pierwszego obrazu czarnej dziury w 2017 roku. Używając zegarów atomowych do wyrównania obserwacji w czasie i superkomputerów do kompilacji petabajtów danych, naukowcy mogą skutecznie osiągnąć rozdzielczość teleskopu wielkości Ziemi, ale nie zdolność zbierania światła, więc technika może być używana tylko do obserwowania bardzo jasnych obiektów. VLBI może zbierać fale radiowe tylko na powierzchniach naczyń, które stale obracają się wraz z Ziemią, obserwując środek M87.
Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), położony w północnym Chile, z widoczną Drogą Mleczną ESO / Y. Beletsky na niebie. ALMA jest najpotężniejszym obserwatorium radiowym w sieci Event Horizon Telescope. (ESO / Y. Beletsky) „Możesz myśleć o tych teleskopach jak o drobinkach srebra na lusterku wielkości Ziemi, a gdy się poruszają, wykreślają pasma odbicia, a ty kończysz, łącząc lub obracając teleskop wielkości Ziemi - prawie budując sieć jak pająk - mówi Doeleman.
Teleskopy zbierają fale radiowe o bardzo wysokiej częstotliwości (EHF), prawie promieniowanie podczerwone w widmie elektromagnetycznym, o długości fali 1, 3 milimetra. Jak mówi Doeleman, częstotliwość jest „idealna”, aby odbyć ekspansywną podróż od krawędzi czarnej dziury do naszych anten radiowych. Obserwatoria zazwyczaj zwracają się w kierunku M87 w nocy oraz w miesiącach marcu i kwietniu, kiedy pary atmosferyczne oparów wody są na najniższych poziomach.
Event Horizon Telescope obserwuje także Strzelca A *, supermasywną czarną dziurę w centrum naszej galaktyki, Drogi Mlecznej. Strzelec A * (wymawiana „Gwiazda Strzelca A”) jest znacznie mniej aktywną supermasywną czarną dziurą niż ta w centrum M87. Strzelec A *, znajdujący się w odległości około 26 000 lat świetlnych, jest na tyle mały, że na niebie ma mniej więcej taki sam rozmiar jak znacznie dalej M87.
Wielu naukowców uważa, że czarne dziury mają sens w dziedzinie fizyki teoretycznej, ale tak naprawdę nie mogłyby istnieć w prawdziwym życiu. Zrobienie zdjęcia czarnej dziury to wszystko zmieni.Oprócz świecącego horyzontu zdarzeń wokół czarnej dziury M87, obiekt wyrzuca strumienie materiału z biegunów w kosmos. „Dostajecie te strumienie cząstek relatywistycznych, ponieważ oczywiście są one bardzo energetyczne i mogą płynąć przez dziesiątki tysięcy lat świetlnych”, mówi Doeleman. „Mogą przejść przez całą galaktykę, a to uwolnienie energii w skali galaktycznej może zmienić wygląd całej galaktyki”.
Energia dżetów płynących z supermasywnej czarnej dziury zależy od ilości materii zużywanej przez czarną dziurę, a także od jej rotacji, pola magnetycznego i innych właściwości. „Dżety niosą równowartość 10 miliardów supernowych w energii”, mówi Sera Markoff, członek rady naukowej EHT i profesor na Uniwersytecie w Amsterdamie na konferencji prasowej. „Te zawrotne dziury w materiale czasoprzestrzennym same w sobie mają wiele konsekwencji” - mówi Markoff. Kiedy czarna dziura wypluwa ogromne ilości energii, zapobiega tworzeniu się nowych gazów przez gazy wokół horyzontu zdarzeń, hamując wzrost galaktyk.
W centrum czarnej dziury, zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina, znajduje się punkt osobliwości, w którym cała materia obiektu jest zagęszczona do objętości tak małej, że gęstość jest zasadniczo nieskończona. W tym momencie uważa się, że znane prawa fizyki załamują się. Jednak bliżej horyzontu zdarzeń naukowcy zbadają kształt sylwetki czarnej dziury, aby sprawdzić prawa względności.
„Muszę przyznać, że byłem trochę oszołomiony, że tak ściśle pasowało do naszych prognoz”, mówi Avery Broderick, astrofizyk z EHT i profesor nadzwyczajny na University of Waterloo na konferencji prasowej. „To satysfakcjonujące, ale też trochę denerwujące”.
Kształt światła wokół czarnej dziury, zwany pierścieniem fotonowym, w którym światło krąży wokół centrum, służy jako najbardziej intensywny test teorii grawitacji Einsteina, jaki kiedykolwiek przeprowadzono.
„Jednym z powodów, dla których widzisz ten pierścień światła, jest to, że jest to orbita, na której fotony są zmuszone do poruszania się w kręgu wokół czarnej dziury”, mówi Doeleman. „To naprawdę niezwykłe - bierzesz obiekt taki jak foton, który porusza się tak szybko, jak wszystko może się poruszać we wszechświecie, najszybciej, jak możesz się poruszać, a potem zdajesz sobie sprawę, że istnieje obiekt zwany czarną dziurą, który spowoduje, że promień światła się zakrzywi pełny krąg. I to w zasadzie to, co widzisz. … A jeśli przejdziesz przez równania Einsteina, jest to bardzo szczególna orbita. ”
Widzenie pierścienia wokół czarnej dziury z cieniem na tle kosmosu potwierdziło, że fizyka teoretyczna ustanowiona ponad 100 lat temu nadal jest prawdziwa „w jednym z najbardziej ekstremalnych laboratoriów, jakie zapewnia nam wszechświat”.
„Myślę, że szczerze mówi to ludzkiemu duchowi, że jesteśmy w stanie to osiągnąć” - mówi Doeleman.
Premiera Black Hole Hunters w piątek, 12 kwietnia o 21:00 w Smithsonian Channel.
