Badanie potwierdza, że czarne dziury mają „strefę nurkowania” istnienie której przewidział Einstein

Zdjęcie: NASA/CXC/M. Weiss

Dzięki teleskopom zdolnym do wykrywania promieni rentgenowskich zespołowi astronomów udało się po raz pierwszy zaobserwować ten obszar zwany „strefą nurkowania” w czarnej dziurze znajdującej się około 10 000 lat świetlnych od Ziemi. „Dotychczas ignorowaliśmy ten zakres, ponieważ nie mieliśmy wystarczająco dużo danych” powiedział Andrew Mummery, naukowiec i pierwszy autor badania opublikowanego w czwartkowym wydaniu czasopisma „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society”. „Ale teraz, gdy już je mamy, nie możemy tego wytłumaczyć w inny sposób” - dodaje Mummery. To nie pierwszy raz, gdy czarne dziury pomogły potwierdzić wielką teorię Einsteina, znaną również jako ogólna teoria względności. Wcześniej, pierwsze zdjęcie czarnej dziury, zrobione w 2019 roku, wzmocniło założenie genialnego fizyka, że grawitacja to po prostu materia wyginająca strukturę czasoprzestrzeni. Wielu prognoz Einsteina okazało się słusznych z upływem lat, w tym fale grawitacyjne i to, że limitem prędkości jest prędkość światła. „Teraz staje się coraz trudniej nie akceptować jego założeń” powiedział Mummery, stypendysta Katedry Fizyki Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii. Od początku zaplanowaliśmy, że spróbujemy znaleźć ten obszar. „Przez długi czas spieraliśmy się o to, czy nam się uda zaobserwować ten obszar" - wspomina Mummery. „Mówili nam, że udowodnienie istnienie ‘strefy nurkowania’ jest niemożliwe, więc to, że potwierdziliśmy jej istnieje, jest naprawdę ekscytujące”.

„Jak krawędź wodospadu”

Obserwowana czarna dziura znajduje się w układzie MAXI J1820 + 070, który składa się z gwiazdy mniejszej od Słońca i samej czarnej dziury, której masa szacowana jest na 7-8 mas Słońca. Astronomowie wykorzystali kosmiczne teleskopy NASA aby zebrać dane i zrozumieć, jak czarna dziura wciąga gorący gaz z gwiazdy, zwany też plazmą. Jeden z nich, NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array), krąży wokół Ziemi, a drugi, NICER (Neutron star Interior Composition Explorer), znajduje się na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. „Wokół tych czarnych dziur znajdują się wielkie dyski orbitującego materiału (pochodzącego z pobliskich gwiazd)”,  powiedział Mummery. „Większość z nich jest stabilna, co oznacza, że strumień bez przeszkód przybliża się ku czarnej dziurze”. Ten dysk to rzeka, podczas gdy strefa nurkowania jest jak krawędź wodospadu – nagle rzeka zmienia się w wodospad a bezradnie spadasz głową naprzód. Większość tego, co można zobaczyć, to rzeka, ale na samym końcu jest ten mały obszar, który właśnie odkryliśmy” dodał, zwracają uwagę na to, że jest to pierwszy dowód na istnienie „wodospadu", podczas gdy obserwacje „rzeki” były powszechne.

W przeciwieństwie do horyzontu zdarzeń, który znajduje się bliżej centrum czarnej dziury i nie pozwala na ucieczkę czegokolwiek, w tym światła i promieniowania, w „strefie nurkowania” światło może jeszcze uciec, ale materia jest skazana przez potężne przyciąganie grawitacyjne, wyjaśnił Mummery. Wyniki badań mogą pomóc astronomom lepiej zrozumieć proces powstawania i ewolucji czarnych dziur. „Możemy naprawdę wiele się o nich dowiedzieć, badając ten obszar, ponieważ znajduje się on na krawędzi czarnych dziur, i dlatego pozwala nam zdobyć najwięcej informacji” - powiedział Mummery. Jedynym, czego brakuje temu badaniu, jest rzeczywiste zdjęcie czarnej dziury, ponieważ jest ona zbyt mała i zbyt daleka, aby ją sfotografować. Jednak inny zespół badaczy z Oksfordu pracuje nad czymś jeszcze lepszym niż zdjęcie – pierwszym filmem o czarnej dziurze. Aby to osiągnąć, zespół musi najpierw zbudować nowe obserwatorium, Africa Millimetre Telescope w Namibii, które, według Mummery'ego, otworzy się w ciągu najbliższej dekady. Obserwatorium dołączy do sieci teleskopów Event Horizon Telescope, dzięki której w 2019 roku udało się zrobić przełomowe zdjęcie czarnej dziury, co umożliwi naukowcom obserwację i filmowanie dużych czarnych dziur w centrum Drogi Mlecznej i poza nią.

Ważność dla wcześniejszych badań 

Według Christophera Reynoldsa, profesora astronomii na Uniwersytecie Marylandu w College Park, znalezienie rzeczywistego dowodu na istnienie 'strefy nurkowania' jest ważnym krokiem, który pozwoli naukowcom znacznie udoskonalić modele opisujące zachowanie materii w pobliżu czarnych dziur. „Na przykład można go użyć do pomiaru prędkości obrotu czarnej dziury” - powiedział Reynolds, który nie był zaangażowany w badania Mummery'ego. Dan Wilkins, naukowiec z Uniwersytetu Stanforda w Kalifornii, nazwał to ekscytującym odkryciem i zwrócił uwagę, że w 2018 roku miał miejsce wybuch w jednej z czarnych dziur w naszej galaktyce, któremu oprócz niezwykle jasnego światła towarzyszył nadmiar wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego. „Wtedy mieliśmy hipotezę, że ten nadmiar pochodził z gorącego materiału w 'strefie nurkowania', ale nie mieliśmy pełnej teoretycznej prognozy tego, jak ta emisja będzie wyglądać” – powiedział Wilkins, który również nie był zaangażowany w nowe badanie. „Badanie rzeczywiście przeprowadza tę kalkulację, używając teorii grawitacji Einsteina do przewidzenia, jak promieniowanie rentgenowskie emitowane przez materiał w 'strefie nurkowania' będzie wyglądać w pobliżu czarnej dziury i porównuje wyniki z danymi jasnego wybuchu czarnej dziury który miał miejsce w 2018 roku” – dodaje Wilkins. „To będzie głównym obszarem odkryć w ciągu najbliższej dekady” – powiedział Wilkins. „Mamy nadzieje, że dzięki nowej generacji teleskopów rentgenowskich, nam się uda dokonać bardziej precyzyjnych pomiarów obszarów na granice z horyzontem zdarzeń czarnych dziur”.