Panie i panowie, oto czarna dziura

Doczekaliśmy się pierwszej “fotki” czarnej dziury w centrum galaktyki Messier 87. Stosuję cudzysłów, bo nie mówimy tu o klasycznym zdjęciu. To co właśnie opublikowano na konferencji prasowej Event Horizon Telescope, to efekt kilkunastomiesięcznej obróbki sygnałów radiowych zebranych przez sieć teleskopów rozrzuconych po całej planecie. Luki w danych uzupełniono danymi symulacyjnymi.

Tytułem wstępu (możesz przewinąć na dół, zobaczyć fotę czarnej dziury i wrócić)

Czarne dziury to obiekty tak masywne, że nawet światło nie może wymknąć się ich sile ciążenia. Istnieje taki obszar w ich pobliżu, że prędkość ucieczki jest większa niż prędkość światła. Jeśli podrzucę dziobaka w górę, to spadnie mi znów w ręce. Jeśli podrzucę go bardzo mocno, to też w końcu zwolni, zatrzyma się i zacznie coraz szybciej spadać mi w dłonie. Jest jednak taka graniczna prędkość (11 kilometrów na sekundę), przy której stojąc na Ziemi mógłbym rzucić dziobaka tak mocno, że już nie wróciłby na naszą dziwną* planetę.

Ta graniczna prędkość w przypadku czarnej dziury jest większa niż prędkość światła. Dlatego nawet fotony nie są w stanie uciec z obszaru określanego “horyzontem zdarzeń”. To właśnie ten umowny obszar chcieli uwiecznić astronomowie z zespołu tworzącego Event Horizon Telescope, o którym za chwilę. Jak uwiecznić coś co nie emituje światła i promieniowania (dla uproszczenia nie wspominajmy dziś o promieniowaniu Hawkinga)? Trzeba zrobić zdjęcie materii znajdującej się tuż ponad horyzontem zdarzeń. Czarną dziurę w centrum naszej galaktyki nieustannie otacza pierścień materii, która na nią spada - gaz i pył kosmiczny, resztki pożeranych gwiazd i temu podobne. Materia ta porusza się z prędkościami bliskimi prędkości światła, przez co osiąga niewyobrażalne temperatury i emituje promieniowanie podczerwone, widzialne, mikrofalowe, radiowe, rentgenowskie… Światło, które nie wpadnie w bezpowrotną pułapkę czarnej dziury też jest pod jej wpływem - jego ścieżka ulega zakrzywieniu. Naukowcy obserwują zakrzywienie światła w różnych celach, na przykład do badania rozkładu masy w galaktykach i Wszechświecie w skali gromad galaktyk.

W przypadku czarnej dziury to zakrzywienie jest tak ekstremalne, że patrząc na czarną dziurę z perspektywy jej “równika” możemy zobaczyć dysk materii dookoła jednocześnie z góry i z dołu. Ten niezwykły efekt atrakcyjnie pokazano w filmie Interstellar (którego nie lubię**). Ilustracje powyżej (mam nadzieję) wyjaśniają to, o czym napisałem. Taki efekt oczywiście zaobserwować można, gdy dysk akrecyjny jest ustawiony krawędzią do nas, nie gdy obserwujemy biegun czarnej dziury. Zwróćcie również uwagę, że z jednej strony promieniowanie wydaje się silniejsze - to z kolei efekt Dopplerowski. Tak jak dźwięk nadjeżdżającej karetki zdaje się mieć większe natężenie niż odjeżdżającej, tak jaśniejsza będzie wydawać się ta część dysku, która wiruje w naszą stronę.

Podsumowując - “zdjęcie czarnej dziury” to pewne uproszczenie. Dlatego bardziej drobiazgowi naukowcy mówią, że EHT przedstawia nam zdjęcie “cienia horyzontu zdarzeń” na tle materii wirującej wokół serca galaktyki Messier 87.


Event Horizon Telescope

Ponad trzydzieści instytucji, kilkanaście obserwatoriów, osiem radioteleskopów wspólnie utworzyły wirtualny teleskop wielkości Ziemi. W kwietniu 2017 roku zebrały one wspólnie petabajty danych. Jako że trudno porównywać to z czymkolwiek, postanowiłem porównać to z pornografią. Danych, które od kilkunastu miesięcy obrabiają centra danych w MIT oraz Instytucie Maxa Plancka, jest kilkanaście razy więcej niż całe zasoby YouPorn.

Jest tego tak dużo, że przesył internetem nie miałby sensu, dlatego wieloterabajtowe dyski czekały sobie na biegunie południowym do grudnia 2017 na załadowanie do samolotu, który przewiózł je na miejsce docelowych prac.

Pozwolę sobie tutaj dorzucić łyżkę dziegciu. Nie czarujmy się, nawet kilkanaście radioteleskopów rozrzuconych po całej Ziemi to nie to samo, co teleskop wielkości planety. Dane EHT są bardzo ograniczone i jednym z powodów dla których dane były opracowywane przez grubo ponad rok (przypominam, że pierwotny plan był taki, że “zdjęcie” zobaczymy w 2018 roku), była ich obróbka. Usuwanie szumów to jedno, ale prawda jest taka, że dane częściowo są uzupełniane na podstawie symulacji. Nie mam wątpliwości, że włożono ogrom pracy w sprawdzenie, czy modele i symulacje pokrywają się z innymi obserwacjami, co dało astronomom przekonanie, że stosując taką taktykę nie tworzą “samospełniającej się przepowiedni”. Ciekaw jestem jednak, czy ktoś będzie

krytykował te wyniki mówiąc, że obraz z EHT, który ma potwierdzać właściwość Einsteinowskiej teorii, został uzyskany dzięki poprawkom wynikającym z tejże teorii. Zanim zamieszczę właściwe foto - obok symulacja czarnej dziury i rekonstrukcja tego, co EHT powinien uzyskać autorstwa Andrew Chaela.


Wyniki

A teraz właściwe foto:

Może to wygląda jak trochę rozmytych plam, ale dla porównania - to tak jakbyśmy obserwowali pomarańczę leżącą na Księżycu. Centralna czarna dziura w galaktyce Messier 87 znajduje się 520 trtlionów kilometrów od Ziemi. Fakt, że możemy uzyskać taki obraz nie ruszając tyłka z planety Ziemia jest bardzo imponujący. Kształt horyzontu zdarzeń potwierdza przewidywania Einsteina, asymetria jasności również zgadza się z tym czego się spodziewano. Kowalski może wzruszyć ramionami, ale teraz te dane wezmą w obroty astronomowie z całego świata, przez najbliższe lata będą analizować działanie grawitacji w ekstremalnych warunkach, proces powstawania dżetów wyrzucających materię w kierunku osi czarnych dziur, będą analizować ewolucję galaktyk, będą szukać martwych gwiazd w pobliżu (pulsarów i mniejszych czarnych dziur)...

Gdzieś tam w środku tej ciemności załamują się znane nam reguły fizyki. Obecnie horyzont zdarzeń zdaje się nieprzekraczalną barierą. Nawet jeśli, to właśnie troszkę się do niego zbliżyliśmy.


* tak, dziwną. W końcu wyprodukowała takie dziwadło jak dziobaki.
** nie lubię, bo zapowiadane mocne osadzenie w nauce kończyło się mniej więcej właśnie na przedstawieniu czarnej dziury. Potem im dalej, tym gorzej.


Źródła:
Press Release
This Is Why The Event Horizon Telescope Still Doesn't Have An Image Of A Black Hole
Here’s What Scientists Think Their First Picture of a Black Hole Might Look Like
We're About to See The First-Ever Photo of a Black Hole. Here's What It Might Be Like
Event Horizon Telescope - Simulations Gallery

Ilustracje:
Czarna dziura z moimi bazgrołami - Gravitational Lensing by Spinning Black Holes in Astrophysics, and in the Movie Interstellar - Oliver James, Eugenie von Tunzelmann, Paul Franklin, Kip S. Thorne
Teleskopy - Apex, Iram, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin
Symulacja/rekonstrukcja EHT - Andrew Chael
"Fotka" - Event Horizon Telescope


Podoba Ci się to co robię? Wpłyń na rozwój strony i zostań patronem Węglowego.