Obraz uzyskano dzięki pracy największego teleskopu świata, czyli Event Horizon Telescope (EHT). To tak naprawdę kilkanaście teleskopów pracujących w milimetrowych i submilimetrowych zakresach fal radiowych na całej Ziemi, na wszystkich kontynentach. Połączone w jeden instrument w ramach tzw. interferometrii wielkobazowej tworzą wirtualny teleskop wielkości naszej planety. Program EHT uruchomiono z inicjatywy Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO) w 2009 r., a jego celem było stworzenie obrazów dwóch supermasywnych czarnych dziur – jednej znajdującej się w centrum ogromnej galaktyki M87 w gwiazdozbiorze Panny i drugiej: centralnej czarnej dziury tzw. źródła Sagittarius A* w naszej Galaktyce, czyli Drodze Mlecznej.
Pierwsze zadanie zostało wykonane z sukcesem w 2019 r. Świat w końcu ujrzał realny obraz czarnej dziury, i to ogromnej, posiadającej masę 6,5 mld Słońc, z galaktyki M87. Było o tym głośno. Obecnie uczeni zrzeszeni w EHT zaprezentowali obraz naszej centralnej czarnej dziury. Jest znacznie mniejsza, posiada masę ok. 4 mln Słońc, i trudniejsza do zobrazowania. Ale udało się.
Czytaj też: Coraz więcej czarnych dziur na niebie
Czarna dziura na skonwertowanym obrazie
Od lat było wiadomo, że szczególny ruch gwiazd w centrum naszej Galaktyki dowodzi, iż krążą one i przyspieszają pod wpływem potężnej centralnej masy. Uczeni oczywiście spodziewali się, że jest to supermasywna czarna dziura. Pierwsza próba jej zobrazowania miała miejsce w 2017 r. Jednak źródło Sagittarius A* jest przesłonięte potężnymi masami pyłu i gazu, dlatego wówczas jeszcze się nie udało. Kilkusetosobowa grupa badaczy z EHT postanowiła więc najpierw pokazać łatwiejszą do zobrazowania centralną czarną dziurę w M87. Teraz mamy wreszcie obraz naszej centralnej czarnej dziury.
Oczywiście to nie jest optyczne zdjęcie. Radiowe obserwacje wszystkich teleskopów EHT są zapisywane razem z bardzo dokładnym czasem pomiaru, kontrolowanym przy użyciu zegarów atomowych. Wszystkie obrazy są łączone w jeden wynik przy zastosowaniu superkomputerów. Zebrane dane są mozolnie uśredniane, a następnie konwertowane na obraz.
Podczas wielomiesięcznych obserwacji źródła Sagittarius A* uzyskano 3,5 petabajta danych. Było ich tak dużo, że poszczególne zespoły, wymieniając się danymi, używały realnego transportu dysków twardych. Ich przesyłanie siecią internetową trwałoby zbyt długo. Poza tym na obrazach obu czarnych dziur widać centralny obszar ciemności (w nim znajduje się promień Schwarzchilda wyznaczający tzw. horyzont zdarzeń, zza którego nic już z czarnej dziury wydostać się nie może) i okrążający go pierścień rozpalonej materii. Jest to tzw. dysk akrecyjny, z którego materia co pewien czas do czarnej dziury spływa. Jednak ruch materii wokół czarnej dziury w M87 jest stosunkowo powolny, gdyż dziura ta jest ogromna. Średnica jej akrecyjnego dysku to 700 jednostek astronomicznych (odległości Ziemi od Słońca), czyli ponad 100 mld km. Pełen taki obrót w jej przypadku trwa wiele dni, chociaż materia porusza się tam z prędkościami relatywistycznymi, bliskimi prędkości światła. To jednak ułatwia obrazowanie.
Tymczasem pełen obrót materii wokół tysiące razy mniejszego źródła Sagittarius A* zajmuje o wiele mniej czasu, trwa kilka minut. Dlatego uchwycenie jednego stałego obrazu było znacznie trudniejsze. To tak – twierdzi jeden z badaczy z EHT – jakby próbować zrobić wyraźne zdjęcie szczeniaka szybko obracającego się w pogoni za swoim ogonem.
Czytaj też: Oto najpotężniejsza czarna dziura we Wszechświecie
Potwierdza się teoria względności
Zdumiewa, że oba obrazy są do siebie bardzo podobne, chociaż centralna czarna dziura z M87 jest znacznie większa od źródła Sagittarius A*. Wynika to z faktu, że na obie „patrzymy” mniej więcej pod takim samym kątem. Dowodzi też, że nasze wcześniejsze estymacje co do tego, jak w ogóle mogą wyglądać czarne dziury z bliska, potwierdziły się. Oraz że czarne dziury faktycznie istnieją i możemy je nawet zobaczyć. To osiągnięcie jest ważne także z tego względu, że da się obecnie porównać bardzo masywne centralne galaktyczne czarne dziury (M87) z małymi jak na kategorię dziur supermasywnych, czyli centralnych w galaktykach (Sagittarius A*). W obu przypadkach badacze podkreślają też, że uzyskane obrazy czarnych dziur potwierdzają prawdziwość ogólnej teorii względności Einsteina, gdyż istnienie takich tworów z tej teorii wynika.
Co ciekawe jednak, sam Einstein czarnymi dziurami w ogóle się nie zajmował. Zresztą termin „czarna dziura” został stworzony przez słynnego amerykańskiego fizyka relatywistycznego Johna Wheelera dopiero w połowie lat 60. ubiegłego wieku. Pierwsze rozwiązanie równania Einsteina ogólnej teorii względności opisujące czarną dziurę znalazł w 1916 (w rok po ogłoszeniu całej teorii) Karl Schwarzchild. Jednak przez wiele lat było ono uznawane jedynie za matematyczną ciekawostkę. Dopiero właśnie w latach 60. prace teoretyczne kilku fizyków wykazały, że istnienie czarnych dziur jest jak najbardziej realne. I rzeczywiście wkrótce zaczęto je odkrywać.
Czytaj też: Kilka słów o kosmologii obserwacyjnej
Jak Kant mógł na to wpaść?
Co jeszcze ciekawsze – podejrzenie, że w kosmosie mogą istnieć obiekty zagęszczone grawitacją tak bardzo, że nawet światło nie może się z nich wydostać, wyrażono znacznie wcześniej. Pierwszym uczonym, który to zasugerował, był słynny filozof niemiecki Immanuel Kant w rozprawie z 1755 r.(!) „Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels” (Ogólna historia przyrody i teoria nieba); a także we wcześniejszych rozprawach przyrodoznawczych, w przypisach. To był mniej więcej środek epoki Oświecenia w Europie. Trudno dociec, jak Kant mógł wpaść na to, skoro nie zajmował się zawodowo astronomią, która zresztą w jego czasach była w zupełnych powijakach, i nie posiadał nawet teleskopu. Musiał mieć jednak rzeczywiście niezwykłą intuicję, gdyż odkrył też np. tzw. wyspową, czyli absolutnie prawidłową naturę wszechświata (składającego się z ogromnej liczby niezależnych tworów podobnych do Drogi Mlecznej, czyli po prostu galaktyk, co w jego czasach było wręcz nie do pomyślenia) oraz znaczenie pływów księżycowych dla stanu Ziemi i przyrody ziemskiej. Do dzisiaj wciąż badamy znacznie tych pływów. To po prostu nieprawdopodobne. A jednak Immanuel Kant wszystko to wiedział. Skąd i jak mógł to wiedzieć? – tego nigdy się już nie dowiemy.
Drugim badaczem, który podejrzewał, że takie twory jak czarne dziury mogą istnieć, był angielski geolog i astronom John Michell, który pisał o tym w listach do Henry′ego Cavendisha w 1784, a rok wcześniej zawarł taką sugestię w pracy o niebie przesłanej do Royal Society. Wreszcie w 1796 r. tę samą ideę opisał w swojej rozprawie „Exposition du Systeme du Monde” znany francuski matematyk i astronom Pierre Simone de Laplace.
Teoretycznie więc o tym, że mogą w kosmosie istnieć takie osobliwości jak czarne dziury, wiemy już prawie od 300 lat. Teraz jednak – i w 2019 r., i dzisiaj – możemy je zobaczyć na własne oczy.
Czytaj też: Pięć tysięcy nowych światów