Astronomowie (i cała ludzkość) mają święto: przedstawiono pierwsze zdjęcie czarnej dziury. Został utworzony przy użyciu teleskopu Event Horizon Telescope (EHT), wirtualnego teleskopu złożonego z kilku radioteleskopów na całym świecie. Zdjęcie przedstawia materiał wokół supermasywnej czarnej dziury w centrum galaktyki oddalonej o 55 milionów lat świetlnych. I tak, czarna dziura to skoncentrowana fizyka, szalone zjawiska grawitacyjne na granicy możliwych i niemożliwych, ekstremalnych warunków (więcej o tym, jak działają czarne dziury, przeczytasz tutaj). Ale jest kilka pytań.
Czy czarna dziura jest trudna do zobaczenia, ponieważ jest czarna?
Nie. To znaczy tak. To prawda: czarne dziury są czarne. Zwykle widzimy wszelkiego rodzaju gwiazdy i wszystko, ponieważ emitowane przez nie światło dociera do naszych teleskopów (lub bezpośrednio do naszych oczu) i rejestrujemy je. Czarne dziury są naprawdę czarne. Nie emitują światła widzialnego (ze względu na złożone sztuczki grawitacyjne), więc nie można ich zobaczyć.
Ale to nie jest duży problem. Gdybyśmy mieli czarną dziurę w naszym Układzie Słonecznym, byście to zobaczyli. Widziałbyś krzywiznę przestrzeni poprzez jej obecność i zobaczyłbyś substancję, która obraca się wokół tego lejka. Jeśli widzieliście film Interstellar, z grubsza przedstawia on wizualizację czarnej dziury - zostało to zrobione z pomocą astrofizyka Kipa Thorne'a.
Czarna dziura jest trudna do zobaczenia, ponieważ jest malutka. No dobra, na przykład nie tak malutka jak mrówka. Jest malutka w tym sensie, że osoba jest malutka, gdy patrzy się na nią z odległości kilometra. Najlepszym terminem byłby rozmiar kątowy. Jeśli obrócisz głowę w kółko, uzyskasz 360-stopniowy widok dookoła (ale pamiętaj, aby również obrócić swoje ciało, w przeciwnym razie zginasz szyję). Jeśli trzymasz kciuk na odległość ramienia, jest to około pół stopnia. Księżyc ma mniej więcej ten sam rozmiar kątowy, więc możesz go zakryć kciukiem.
A co z rozmiarem czarnej dziury? Tak, jest ogromny. Jest również odległa o 55 milionów lat świetlnych. Oznacza to, że światłu dotrze tak daleko. Jest niesamowicie daleko. Ale rozmiar kątowy naprawdę nam przeszkadza. Czarna dziura (przynajmniej jej widoczna część) ma rozmiar kątowy około 40 mikrosekund.
Co to jest microarxsecond? Jak wiesz, koło jest podzielone na stopnie (i tak było przez długi czas). Każdy stopień można podzielić na 60 minut łukowych, a każda minuta to 60 sekund łukowych. Jeśli podzielisz sekundę łukową na milion części, otrzymasz mikrosekundę. Pamiętasz, że rozmiar kątowy Księżyca wynosi 0,5 stopnia (patrząc z Ziemi)? Oznacza to, że rozmiar kątowy Księżyca jest 45 milionów razy większy niż rozmiar czarnej dziury. Czarna dziura jest niewielka pod względem swojego rozmiaru kątowego.
Film promocyjny:
Ale to nie wszystko. Z powodu dyfrakcji nie możemy zobaczyć rzeczy o małych rozmiarach kątowych. Kiedy światło przechodzi przez otwór (na przykład przez teleskop lub do oka), jest rozpraszane. Odgina się w taki sposób, że przeszkadza reszcie światła przechodzącego przez otwór. W przypadku oka oznacza to, że ludzie mogą dostrzec obiekty o wielkości kątowej około 1 minuty łukowej.
A to oznacza również, że coś tak małego jak czarna dziura jest trudne do uchwycenia na zdjęciu.
Jak pokonać granicę dyfrakcji?
Przyznajmy. Rzeczy o niewielkich wymiarach kątowych są naprawdę trudne do zobaczenia - jak więc mamy zobaczyć materiał wokół czarnej dziury? Rozdzielczość kątowa teleskopu tak naprawdę zależy tylko od dwóch rzeczy: rozmiaru otworu i długości fali światła. Używanie krótszych fal (takich jak promieniowanie ultrafioletowe lub rentgenowskie) daje lepszą rozdzielczość. Ale w tym przypadku teleskop wykorzystuje długość fali światła w zakresie milimetrowym. To dość duża długość fali w porównaniu do światła widzialnego, które mieści się w zakresie 500 nanometrów.
A to oznacza, że jedynym sposobem na pokonanie granicy dyfrakcji jest powiększenie teleskopu. To znaczy, co zrobili z teleskopem Event Horizon. Zasadniczo jest to teleskop wielkości Ziemi. Szaleństwo, ale prawdziwe. Zbierając dane z wielu teleskopów w różnych częściach świata, możesz łączyć dane, aby przekształcić je w dane z jednego teleskopu GIANT. To prawda, musisz spróbować. Ale są też problemy z tą metodą. Mając tylko kilka teleskopów, zespół EHT wykorzystuje szereg technik analitycznych, aby stworzyć najbardziej prawdopodobny obraz na podstawie zebranych danych. Więc udało im się „narysować” materiał wokół czarnej dziury.
Czy to prawdziwe zdjęcie czarnej dziury?
Jeśli spojrzysz przez teleskop i zobaczysz Jowisza, w rzeczywistości zobaczysz Jowisza. Uwaga: jeśli jeszcze tego nie zrobiłeś, spróbuj. To super. Światło słoneczne odbija się od powierzchni Jowisza, a następnie przechodzi przez teleskop do oka. Bum. Jowisz. On jest prawdziwy.
Ale w przypadku czarnej dziury sytuacja wygląda trochę inaczej. Obraz, który widzisz, nie znajduje się nawet w widocznym zakresie. To jest obraz radiowy utworzony z długości fal światła. Jaka jest różnica między falami radiowymi a zwykłym światłem widzialnym? W rzeczywistości różnica dotyczy tylko długości fali.
Fale świetlne i radiowe to fale elektromagnetyczne. Jest to propagacja zmieniającego się pola elektrycznego wraz ze zmieniającym się polem magnetycznym (jednocześnie). Te fale poruszają się z prędkością światła - ponieważ są lekkie. Jednak ponieważ światło radiowe i widzialne mają różne długości fal, inaczej oddziałują z materią. Jeśli włączysz radio w domu, otrzymasz sygnał z najbliższej stacji radiowej. Te fale radiowe przechodzą przez ściany. A widzialne nie przechodzą.
To samo dotyczy obrazów. Jeśli masz widzialne światło z jakiegoś przedmiotu, możesz zobaczyć je okiem i zarejestrować ten obraz na taśmie lub za pomocą cyfrowego rejestratora. Obraz ten można następnie wyświetlić na ekranie komputera i faktycznie obejrzeć. W ten sposób możesz zobaczyć zdjęcie księżyca.
Jeśli chodzi o materiał wokół czarnej dziury, nie jest to widoczny obraz. To jest obraz radiowy. Każdy piksel na obrazie reprezentuje określoną długość fali, ale fale radiowe. Pomarańczowe części są fałszywymi kolorami reprezentacji fali 1 milimetrowej. To samo dzieje się, gdy chcemy „zobaczyć” obraz w zakresie podczerwieni lub ultrafioletu. Musimy przekonwertować te długości fal na to, co widzimy.
Więc to ujęcie czarnej dziury nie jest zwykłym zdjęciem.
Ilya Khel