Powstało pierwsze w historii zdjęcie czarnej dziury!

Po raz pierwszy w historii badań nieba astronomowie z programu Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT), należącego do Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), uzyskali zdjęcie czarnej dziury.

Chodzi o centralną czarną dziurę galaktyki Messier 87 (M87) w Pannie. Supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach niemal wszystkich galaktyk. Mają masy od kilkuset tysięcy do kilkunastu miliardów (!) naszych Słońc.

Są wśród nich obiekty bardzo aktywne – emitujące dawki promieniowania porównywalne z aktywnością całej galaktyki lub nawet większe; to czarne dziury w tzw. galaktykach aktywnych, a więc kwazarach, blazarach, galaktykach Seyferta, lacertydach itd. Dyski materii otaczające takie czarne dziury mogą znacznie przekraczać rozmiarami cały Układ Słoneczny. Obserwuje się je w okresach największej aktywności, a więc gdy niemal stale pochłaniają z otoczenia ogrom materii. Stąd ich aktywność.

Inne supermasywne czarne dziury, jak np. Sagittarius A* w centrum naszej Galaktyki, są mniejsze i znajdują się w fazie poobiedniej. Dlatego ich aktywność jest znacznie słabsza. Do dzisiaj pozostaje zagadką, jak supermasywne czarne dziury w ogóle powstają. Czy tworzą się wraz z narodzinami całej galaktyki – w procesie zapaści protogalaktycznego obłoku materii – czy już po tym fakcie, z późniejszego łączenia się mniejszych czarnych dziur? Wiadomo tylko, że centralne, supermasywne czarne dziury mają ogromny wpływ na ewolucję galaktyk, na ich wielkość, procesy narodzin gwiazd, aktywność itd.

Teleskop Horyzontu Zdarzeń patrzy na czarne dziury

Nasza centralna galaktyczna czarna dziura, Sagittarius A*, to bardzo wyraźne źródło świecące radiowo i na falach milimetrowych, a także w zakresie rentgenowskim. Od lat 90. ubiegłego wieku wiadomo, że jest to supermasywna czarna dziura o masie niecałych czterech milionów Słońc. Od przełomu wieków zaczęły się dokładne badania Sagittarius A*, a od kilku lat ESO uruchomiło specjalny program badawczy zwany Event Horison Telescope, czyli EHT (Teleskop Horyzontu Zdarzeń), którego zadaniem jest połączenie możliwości kilkunastu największych radioteleskopów światowych do wspólnej obserwacji naszej centralnej czarnej dziury. Wszystkie one działają w ramach tzw. interferometrii wielkobazowej, w której obserwacje każdego z radioteleskopów są zapisywane razem z bardzo dokładnym czasem pomiaru. Następnie wszystkie pomiary są łączone w jeden wynik. Powstaje gigantyczny, działający ze wszystkich kontynentów, wirtualny teleskop o ogromnych możliwościach obserwacyjnych wielkości Ziemi.

Nigdy nie byliśmy tak blisko horyzontu zdarzeń czarnej dziury

Już w 2017 r. udało się osiągnąć dla EHT prowadzącego obserwacje w zakresie 1,3 mm ogromną rozdzielczość, pozwalającą dotrzeć do źródła Sagittarius A*na odległość zaledwie kilkudziesięciu mln kilometrów od horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Tak blisko osobliwości kosmicznej, jaką jest czarna dziura, jeszcze nigdy wcześniej nie byliśmy. Obserwacja ukazała niesymetryczną i niepunktową strukturę, prawdopodobnie będącą częścią tworu przypominającego pierścień. Dla przypomnienia: horyzont zdarzeń czarnej dziury to granica między wewnętrzną partią otaczającego ją dysku materii a samą czarną dziurą, zza której nic już do świata zewnętrznego nie może się wydostać, ponieważ jest uwięzione siłą grawitacji osiągającej wartość nieskończoną. Dlatego czarne dziury są zupełnie czarne i bardzo trudne do uchwycenia, a ponadto wokół nich znajdują się ogromne ilości gwiazd, gazu i pyłu, które stanowią dodatkową barierę obserwacyjną. Istnieje jednak – jak się okazuje teraz – możliwość obserwacji jeszcze dalszej, a więc właśnie granicy dysku akrecyjnego oraz samej czarnej dziury. Ponieważ atomy materii w dysku są przyspieszane do ogromnych prędkości i zderzają się ze sobą, temperatura dysku rośnie do ogromnych wartości. Taki dysk bardzo mocno świeci. Jeśli dotrzemy wystarczająco blisko, uzyskamy obraz czegoś w rodzaju cienia czarnej dziury rzucanego na towarzyszący jej dysk właśnie. Mało tego, ponieważ ogromna grawitacja zakrzywia światło dysku w odpowiedni sposób, co daje obraz niesymetryczny, można nawet dostrzec obszary znajdujące się za czarną dziurą, a więc ujrzeć ją niejako na kosmicznym tle. Tego udało się dokonać z czarną dziurą w innej galaktyce - eliptycznej Messier 87, oddalonej od nas o 56 mln lat świetlnych, która leży w gwiazdozbiorze Panny.

M87

Pierwsze takie zdjęcie zaprezentowali dzisiaj, 10 kwietnia 2019 r., na wielkiej i uroczystej konferencji w Brukseli przedstawiciele ESO. Podobne konferencje odbyły się w obu Amerykach, w Kanadzie i Australii. Oto – czarna dziura w centrum galaktyki Messier 87 w pełnej okazałości; jej masa to 6,5 miliarda mas Słońca. Dokonanie iście przełomowe. Czarna dziura to oczywiście nie cały widoczny na zdjęciu czarny owal w środku, który ma średnicę prawie 40 mld km. Dziura jest skryta w samym centrum. Czarny owal to jej cień ukazujący gaz, który już do dziury zaczyna wpływać, ale przez to staje się niewidoczny (czarny), ponieważ grawitacja pochłania jego światło. Owal nie ukazuje nawet samej granicy horyzontu zdarzeń czarnej dziury, ponieważ horyzont ten ma średnicę dwa razy mniejszą. I to dopiero tam, przy horyzoncie zdarzeń, gdzieś w połowie tego czarnego obszaru, zaczyna się prawdziwe pochłanianie materii. Jasne obszary w pierścieniu materii wokół centralnego cienia to światło, które zbliża się do obserwatora ziemskiego, mniej jasne (górne) to światło, które się oddala.

Teleskop Horyzontu Zdarzeń – nie tylko obserwacje czarnej dziury

Jednak w uświęconych spektakularnym sukcesem badaniach EHT nie chodziło tylko o uzyskanie samego zdjęcia czarnej dziury – co oczywiście samo w sobie jest nie lada wyczynem – chodzi też o to, że potwierdzają one naukowo nasze wcześniejsze modele i obserwacje takich tworów jak czarne dziury. Wcześniej były to tylko modele i obserwacje pośrednie, teraz mamy zarejestrowany obraz samej czarnej dziury. Realne zdjęcie. Ponadto zbliżenie się do czarnej dziury instrumentami badawczymi na odpowiednio bliską odległość da nam możliwość zbadania, czy obowiązująca teoria grawitacji, wynikająca wprost z ustaleń Ogólnej Teorii Względności Einsteina, jest słuszna absolutnie, a więc czy obowiązuje w każdych warunkach, nawet tak ekstremalnych jak te panujące w najbliższym sąsiedztwie czarnej dziury. Jeśli nie i grawitacja działa w tych warunkach nieco inaczej, to fakt ten implikuje kolejne pytania i dociekania, które w przyszłości mogą mocno zmienić nasz pogląd na fizykę świata.

Na koniec kilka słów komentarza prof. Tomasza Bulika z Obserwatorium Astronomicznego Wydziału Fizyki UW: Tę czarną dziurę można było zobaczyć tylko dlatego, że ma ogromną masę, ok. 6 miliardów Słońc i jest bardzo aktywna. W przeciwieństwie do naszej galaktycznej centralnej dziury, która jest znacznie bliżej, ale jest o wiele mniej masywna i mało aktywna. Ta obserwacja potwierdza hipotezę o tym, że czarne dziury nie mają powierzchni. Pokazane zdjęcie w dobitny sposób potwierdza też to, co sądziliśmy o czarnych dziurach wcześniej i zapowiada możliwość badania czasoprzestrzeni wokół czarnych dziur z dużą dokładnością, mamy tu już obraz rozdzielony. To też będzie kolejny krok w czymś, co bym nazwał braniem Einsteina pod lupę, a więc sprawdzania dokładniej tego, czy Einstein w swojej teorii grawitacji miał rację, czy jego teoria zgadza się z doświadczeniem zdobytym wokół czarnych dziur.

ESOZdjęcie galaktyki Messier 87 zrobione przez zestaw FORS2 zamontowany na teleskopie Antu, jednym z czterech wielkich zwierciadeł VLT w Chile.