Idea czarnych dziur sięga 1783 roku, kiedy naukowiec z Cambridge John Michell zdał sobie sprawę, że dość masywny obiekt w wystarczająco małej przestrzeni może przyciągać nawet światło, nie pozwalając mu uciec. Ponad sto lat później Karl Schwarzschild znalazł dokładne rozwiązanie ogólnej teorii względności Einsteina, która przewidywała ten sam wynik: czarną dziurę. Zarówno Michell, jak i Schwarzschild przewidzieli wyraźny związek między horyzontem zdarzeń lub promieniem obszaru, z którego światło nie może uciec, a masą czarnej dziury.
Przez 103 lata od prognozy Schwarzschilda nie można było tego zweryfikować. Dopiero 10 kwietnia 2019 roku naukowcy odkryli pierwsze w historii zdjęcie horyzontu zdarzeń. Teoria Einsteina znów zadziałała, jak zawsze.
Chociaż wiedzieliśmy już całkiem sporo o czarnych dziurach, jeszcze przed wykonaniem pierwszej migawki horyzontu zdarzeń, wiele się zmieniło i wyjaśniło. Mieliśmy wiele pytań, na które teraz mamy odpowiedzi.
10 kwietnia 2019 roku zespół Event Horizon Telescope zaprezentował pierwsze udane zdjęcie horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Ta czarna dziura znajduje się w Messier 87: największej i najbardziej masywnej galaktyce w naszej lokalnej supergromadzie galaktyk. Średnica kątowa horyzontu zdarzeń wynosiła 42 mikro-sekundy łuku. Oznacza to, że potrzeba 23 biliardów czarnych dziur tej samej wielkości, aby pokryć całe niebo.
W odległości 55 milionów lat świetlnych szacunkowa masa czarnej dziury jest 6,5 miliarda razy większa od masy Słońca. Fizycznie odpowiada to rozmiarowi większemu niż rozmiar orbity Plutona wokół Słońca. Gdyby nie było czarnej dziury, światło potrzebowałoby około dnia, aby przejść przez średnicę horyzontu zdarzeń. I tylko dlatego, że:
- teleskop horyzontu zdarzeń ma wystarczającą rozdzielczość, aby zobaczyć tę czarną dziurę
- Czarna dziura silnie emituje fale radiowe
- bardzo mało fal radiowych w tle, aby zakłócać sygnał
udało nam się zrobić pierwszy strzał. Z którego wyciągnęliśmy teraz dziesięć głębokich lekcji.
Film promocyjny:
Dowiedzieliśmy się, jak wygląda czarna dziura. Co dalej?
To naprawdę czarna dziura, zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności. Jeśli kiedykolwiek widziałeś artykuł zatytułowany „teoretyk odważnie twierdzi, że czarne dziury nie istnieją” lub „ta nowa teoria grawitacji może odwrócić Einsteina”, zgadujesz, że fizycy nie mają problemu z wymyślaniem alternatywnych teorii. Chociaż ogólna teoria względności przeszła wszystkie testy, którym ją poddaliśmy, fizykom nie brakuje rozszerzeń, zamienników ani możliwych alternatyw.
Obserwacja czarnej dziury wyklucza ich ogromną liczbę. Teraz wiemy, że to czarna dziura, a nie tunel czasoprzestrzenny. Wiemy, że istnieje horyzont zdarzeń i że nie jest to naga osobliwość. Wiemy, że horyzont zdarzeń nie jest stałą powierzchnią, ponieważ spadająca materia musi dawać sygnaturę w podczerwieni. Wszystkie te obserwacje są zgodne z ogólną teorią względności.
Jednak ta obserwacja nic nie mówi o ciemnej materii, najbardziej zmodyfikowanych teoriach grawitacji, grawitacji kwantowej ani o tym, co znajduje się za horyzontem zdarzeń. Pomysły te wykraczają poza zakres obserwacji EHT.
Dynamika grawitacyjna gwiazd daje dobre szacunki mas czarnej dziury; obserwacja gazu - nie. Przed pierwszym obrazem czarnej dziury mieliśmy kilka różnych sposobów mierzenia mas czarnych dziur.
Moglibyśmy wykorzystać pomiary gwiazd - takich jak pojedyncze orbity gwiazd w pobliżu czarnej dziury w naszej własnej galaktyce lub linie absorpcyjne gwiazd w M87 - które dały nam masę grawitacyjną lub emisje z gazu poruszającego się wokół centralnej czarnej dziury.
Zarówno dla naszej galaktyki, jak i M87, te dwie oceny były bardzo różne: szacunki grawitacyjne były o 50-90% wyższe niż te gazowe. W przypadku M87 pomiary gazu wykazały, że czarna dziura miała 3,5 miliarda słońc, a pomiary grawitacyjne były bliższe 6,2 - 6,6 miliarda, ale wyniki EHT pokazały, że czarna dziura ma 6,5 miliarda mas Słońca, co oznacza Dynamika grawitacyjna jest doskonałym wskaźnikiem mas czarnych dziur, ale wnioski dotyczące gazu przesuwają się w kierunku niższych wartości. To świetna okazja, aby zrewidować nasze astrofizyczne założenia dotyczące gazu orbitalnego.
Powinna to być wirująca czarna dziura, a jej oś obrotu powinna być skierowana z dala od Ziemi. Poprzez obserwacje horyzontu zdarzeń, emisje radiowe wokół niego, dżet na dużą skalę i rozszerzone emisje radiowe mierzone przez inne obserwatoria, EHT ustalił, że jest to czarna dziura Kerr (obracająca się), a nie czarna dziura Schwarzschilda (nieobrotowa).
Nie ma jednej prostej cechy czarnej dziury, którą moglibyśmy zbadać, aby określić tę naturę. Zamiast tego musimy zbudować modele samej czarnej dziury i materii poza nią, a następnie opracować je, aby zrozumieć, co się dzieje. Kiedy szukasz możliwych sygnałów, które mogą się pojawić, masz możliwość ich ograniczenia, aby były zgodne z Twoimi wynikami. Ta czarna dziura powinna się obracać, a oś obrotu wskazywała Ziemię pod kątem około 17 stopni.
W końcu byliśmy w stanie określić, że wokół czarnej dziury znajduje się materiał odpowiadający dyskom i strumieniom akrecyjnym. Wiedzieliśmy już, że M87 ma dżet - z obserwacji optycznych - i że emituje również w zakresie radiowym i rentgenowskim. Tego rodzaju promieniowania nie można uzyskać tylko z gwiazd lub fotonów: potrzebujesz zarówno materii, jak i elektronów. Jedynie przyspieszając elektrony w polu magnetycznym możemy uzyskać charakterystyczną emisję radiową, którą widzieliśmy: promieniowanie synchrotronowe.
Wymagało to także niesamowitej ilości pracy modelarskiej. Poprawiając wszystkie możliwe parametry wszystkich możliwych modeli, dowiesz się, że te obserwacje nie tylko wymagają strumieni akrecyjnych do wyjaśnienia wyników radiowych, ale także koniecznie przewidują wyniki niefali radiowych - takich jak promieniowanie rentgenowskie. Najważniejsze obserwacje zostały wykonane nie tylko przez EHT, ale także przez inne obserwatoria, takie jak teleskop rentgenowski Chandra. Strumienie akrecyjne powinny się nagrzewać, o czym świadczy widmo emisji magnetycznej M87, zgodnie z relatywistycznymi przyspieszającymi elektronami w polu magnetycznym.
Widoczny pierścień demonstruje siłę grawitacji i soczewkowanie grawitacyjne wokół centralnej czarnej dziury; i ponownie przetestowano ogólną teorię względności. Ten pierścień w zasięgu radiowym nie odpowiada samemu horyzontowi zdarzeń i nie odpowiada pierścieniu wirujących cząstek. Nie jest też najbardziej stabilną orbitą kołową czarnej dziury. Nie, ten pierścień powstaje z kuli fotonów soczewkowanych grawitacyjnie, których ścieżki są wyginane przez grawitację czarnej dziury w drodze do naszych oczu.
To światło zagina się w większą kulę, niż można by się spodziewać, gdyby grawitacja nie była tak silna. Jak pisze Event Horizon Telescope Collaboration:
„Odkryliśmy, że ponad 50% całkowitego strumienia w sekundach łukowych mija w pobliżu horyzontu i że promieniowanie to jest ostro tłumione, kiedy uderza w ten obszar, dziesięciokrotnie, co jest bezpośrednim dowodem przewidywanego cienia czarnej dziury”.
Ogólna teoria względności Einsteina po raz kolejny okazała się słuszna.
Czarne dziury są zjawiskiem dynamicznym, a ich promieniowanie zmienia się w czasie. Przy masie 6,5 miliarda słońc światło zajmie około dnia, aby przebić się przez horyzont zdarzeń czarnej dziury. To z grubsza określa ramy czasowe, w których możemy spodziewać się zmian i fluktuacji emisji obserwowanych przez EHT.
Nawet kilkudniowe obserwacje pozwoliły potwierdzić, że zgodnie z przewidywaniami struktura emitowanego promieniowania zmienia się w czasie. Dane z 2017 roku obejmują cztery noce obserwacji. Nawet patrząc na te cztery obrazy, można wizualnie zobaczyć, że pierwsze dwa mają podobne cechy, a ostatnie dwa również, jednak istnieją znaczne różnice między pierwszym a ostatnim. Innymi słowy, właściwości promieniowania wokół czarnej dziury w M87 zmieniają się w czasie.
EHT w przyszłości ujawni fizyczne pochodzenie wybuchów czarnych dziur. Widzieliśmy, zarówno w paśmie rentgenowskim, jak i radiowym, że czarna dziura w centrum naszej własnej Drogi Mlecznej emituje krótkie wybuchy promieniowania. Chociaż pierwszy przedstawiony obraz czarnej dziury pokazał supermasywny obiekt w M87, czarna dziura w naszej galaktyce - Sagittarius A * - będzie tak samo duża, tylko zmieniająca się szybciej.
W porównaniu z masą M87 - 6,5 miliarda mas Słońca - masa Strzelca A * będzie wynosić tylko 4 miliony mas Słońca: 0,06% masy pierwszego. Oznacza to, że fluktuacje nie będą już obserwowane w ciągu dnia, ale w ciągu nawet minuty. Cechy czarnej dziury będą się szybko zmieniać, a kiedy nastąpi wybuch, możemy ujawnić jej naturę.
Jaki jest związek między rozbłyskami a temperaturą i jasnością obrazu radiowego, który widzieliśmy? Czy istnieje ponowne połączenie magnetyczne, jak w koronalnych wyrzutach masy naszego Słońca? Czy coś pęka w strumieniach akrecyjnych? Sagittarius A * miga codziennie, więc będziemy mogli skojarzyć wszystkie niezbędne sygnały z tymi zdarzeniami. Jeśli nasze modele i obserwacje są tak dobre, jak w przypadku M87, możemy być w stanie określić, co napędza te zdarzenia, a być może nawet wiedzieć, co wpada do czarnej dziury, tworząc je.
Pojawią się dane polaryzacyjne, które pokażą, czy czarne dziury mają własne pole magnetyczne. Chociaż wszyscy byliśmy zdecydowanie szczęśliwi, widząc pierwszą migawkę horyzontu zdarzeń czarnej dziury, ważne jest, aby zrozumieć, że wkrótce pojawi się całkowicie unikalny obraz: polaryzacja światła emanującego z czarnej dziury. Ze względu na elektromagnetyczny charakter światła, jego oddziaływanie z polem magnetycznym odcisnie na nim określoną sygnaturę polaryzacji, co pozwoli nam zrekonstruować pole magnetyczne czarnej dziury, a także jego zmiany w czasie.
Wiemy, że materia poza horyzontem zdarzeń, będąca zasadniczo poruszającymi się naładowanymi cząstkami (takimi jak elektrony), generuje własne pole magnetyczne. Modele wskazują, że linie pola mogą pozostawać w strumieniach akrecji lub przechodzić przez horyzont zdarzeń, tworząc rodzaj „kotwicy” w czarnej dziurze. Istnieje związek między tymi polami magnetycznymi, akrecją i wzrostem czarnej dziury oraz dżetami. Bez tych pól materia w przepływach akrecyjnych nie mogłaby stracić pędu i wpaść w horyzont zdarzeń.
Przekażą nam o tym dane polaryzacyjne, dzięki mocy obrazowania polarymetrycznego. Dane mamy już: pozostaje wykonanie pełnej analizy.
Ulepszenie Event Horizon Telescope ujawni obecność innych czarnych dziur w pobliżu centrów galaktyki. Kiedy planeta obraca się wokół Słońca, nie wynika to tylko z faktu, że Słońce wywiera na planetę efekt grawitacyjny. Zawsze zachodzi równa i przeciwna reakcja: planeta oddziałuje na słońce. Podobnie, gdy obiekt okrąża czarną dziurę, wywiera również nacisk grawitacyjny na czarną dziurę. W obecności całego zestawu mas w pobliżu centrów galaktyk - i, jak dotąd, w teorii, wielu niewidocznych czarnych dziur - centralna czarna dziura powinna dosłownie drżeć na swoim miejscu, rozerwana przez ruchy Browna otaczających ciał.
Sztuczka dzisiejszego pomiaru polega na tym, że potrzebujesz punktu odniesienia, aby skalibrować swoją pozycję względem położenia czarnej dziury. Technika takiego pomiaru zakłada, że patrzy się na kalibrator, potem na źródło, znowu na kalibrator, znowu na źródło i tak dalej. Jednocześnie musisz bardzo szybko poruszać wzrokiem. Niestety atmosfera zmienia się bardzo szybko i wiele może się zmienić w ciągu 1 sekundy, więc po prostu nie będziesz miał czasu na porównanie dwóch obiektów. W każdym razie nie z nowoczesną technologią.
Ale technologia w tej dziedzinie rozwija się niezwykle szybko. Narzędzia używane w EHT czekają na aktualizacje i mogą być w stanie osiągnąć wymaganą prędkość do połowy 2020 roku. Ta zagadka mogłaby zostać rozwiązana do końca następnej dekady, dzięki ulepszonemu oprzyrządowaniu.
Wreszcie Teleskop Horyzontu Zdarzeń w końcu zobaczy setki czarnych dziur. Aby zdemontować czarną dziurę, rozdzielczość układu teleskopu musi być lepsza (tj. Wysoka rozdzielczość) niż rozmiar obiektu, którego szukasz. Obecnie EHT może dostrzec tylko trzy znane czarne dziury we Wszechświecie o wystarczająco dużej średnicy: Strzelec A *, środek M87, środek galaktyki NGC 1277.
Ale możemy zwiększyć moc oka Event Horizon Telescope do rozmiarów Ziemi, jeśli wyrzucimy teleskopy na orbitę. W teorii jest to już technicznie osiągalne. Wzrost liczby teleskopów zwiększa liczbę i częstotliwość obserwacji, a także rozdzielczość.
Dokonując niezbędnych ulepszeń, zamiast 2-3 galaktyk będziemy w stanie znaleźć setki czarnych dziur lub nawet więcej. Przyszłość albumów fotograficznych z czarną dziurą wygląda jasno.
Projekt Event Horizon Telescope był drogi, ale się opłacił. Obecnie żyjemy w erze astronomii czarnych dziur i wreszcie mogliśmy je obserwować na własne oczy. To dopiero początek.
Ilya Khel
