Ponowne przyjrzenie się słynnej czarnej dziurze

Dwa nowe zdjęcia supermasywnej czarnej dziury M87* wykonane na podstawie obserwacji zebranych w kwietniu 2017 r. i kwietniu 2018 r. Zdjęcie: Event Horizon Telescope Collaboration

Witaj ciemności, nasz stary przyjacielu, znów przyszliśmy się na ciebie popatrzeć.

W centrum Messiera 87, gigantycznej galaktyki oddalonej o 55 milionów lat świetlnych od Ziemi, znajduje się ciemność o średnicy 24 miliardów mil i masie 6,5 miliarda słońc – zapadnia w nieskończoności zwana czarną dziurą.

W 2017 roku grupa astronomów obsługujących Teleskop Horyzontu Zdarzeń – ogólnoświatową sieć radioteleskopów, stworzyła obraz czarnej dziury w Messier 87, czyli M87, co stanowi pierwsze zdjęcie jakiejkolwiek czarnej dziury w historii. Ujawniło ognisty, lekko przekrzywiony pączek gorącego gazu krążący po ciemnej pustce niczym woda krążąca w odpływie, dokładnie tak, jak przewidywała ogólna teoria względności Alberta Einsteina w 1915 r. Kiedy powstałe zdjęcie zostało ujawnione w 2019 r., trafiło na pierwsze strony wiadomości placówek na całym świecie. Obecnie znajduje się w zbiorach Muzeum Sztuki Nowoczesnej w Nowym Jorku.

Ten sam zespół naukowców zrobił to ponownie, tym razem jeszcze lepiej. W 2018 roku, rok po zrobieniu pierwszego zdjęcia, astronomowie ponownie wpatrywali się w ciemność M87 za pomocą nieco powiększonej sieci, która zapewniała wyższą rozdzielczość. Wynik, opublikowany w zeszłym tygodniu w czasopiśmie Astronomy and Astrophysics, pokazuje ten sam grudkowaty pączek i ten sam centralny otwór w jeszcze smaczniejszych szczegółach, co sugeruje, że astronomowie za pierwszym razem zrobili wszystko dobrze.

„Pierwszy obraz czarnej dziury wyglądał tak podobnie do przewidywań matematycznych, że wydawało się to niemal dziełem przypadku” – Dominic Chang, kandydat na doktora fizyki na Harvardzie, który pracuje w zespole Event Horizon, powiedział w komunikacie prasowym wydanym przez Center for Astrophysics/Harvard & Smithsonian w Cambridge w stanie Massachusetts, gdzie realizowany jest projekt.

 „Możliwość przeprowadzenia nowych testów z wykorzystaniem nowych danych, za pomocą nowego teleskopu i zobaczenia tej samej struktury, jest kluczowym potwierdzeniem naszych najważniejszych wniosków” – stwierdził.

Nastąpiła jedna zmiana w pierścieniu wokół czarnej dziury M87. Jej najjaśniejsza bryła przesunęła się wokół pierścienia o około 30 stopni w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara w stosunku do miejsca, w którym znajdowała się rok wcześniej. Astronomowie stwierdzili, że przewidzieli, że gorący punkt się poruszy.

„Chociaż ogólna teoria względności mówi, że rozmiar pierścienia powinien pozostać raczej stały, emisja z turbulentnego, niechlujnego dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury spowoduje, że najjaśniejsza część pierścienia będzie drgać wokół wspólnego środka” – Britt Jeter, doktorantka w Academia Sinica Institute for Astronomy and Astrophysics na Tajwanie, podała w komunikacie prasowym. „Ilość drgań, które obserwujemy w czasie, możemy wykorzystać do przetestowania naszych teorii dotyczących pola magnetycznego i środowiska plazmy wokół czarnej dziury”.

Sheperd Doeleman, badacz z Centrum Astrofizyki,  założyciel i dyrektor współpracy Event Horizon, dodał w e-mailu: „Innymi słowy, supermasywna czarna dziura M87 zachowuje się tak, jak oczekiwaliśmy”.

Dla Einsteina czarne dziury były jednym z wielu kłopotliwych przewidywań wynikających z ogólnej teorii względności, która przypisywała to, co nazywamy grawitacją, zakrzywieniom geometrii czasoprzestrzeni. Jednym z nich było to, że wszechświat się rozszerzał. Innym było to, że jeśli w pewnym promieniu – obecnie nazywanym horyzontem zdarzeń – skupi się zbyt dużo materii lub energii, zapadnie się ona na zawsze w dziurę w czasoprzestrzeni, z której nawet światło nie będzie mogło uciec.

Einstein zgodził się z matematyką, ale uważał, że natura będzie miała lepszy rozsądek niż nadawanie formy takiej dziwaczności. Ale naukowcy wiedzą teraz, że wszechświat jest pełen czarnych dziur; eksperymenty takie jak Laserowe Interferometryczne Obserwatorium Fal Grawitacyjnych (LIGO) pozwoliły im usłyszeć, jak zderzają się ze sobą, a Teleskop Horyzontu Zdarzeń pokazał je w rzeczywistości. 

Wiele czarnych dziur to martwe gwiazdy, które zapadły się, gdy skończyło im się paliwo termojądrowe, ale gigantyczna czarna dziura, miliony lub miliardy razy masywniejsza od zwykłej gwiazdy, wydaje się znajdować w centrach większości galaktyk. Astronomowie wciąż nie wiedzą, jak powstały.

Dzięki dziwactwu natury dwie z tych supermasywnych dziur – w M87 i w centrum naszej własnej galaktyki Drogi Mlecznej – są na niebie wystarczająco duże, aby można je było rozróżnić i zbadać za pomocą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. Zdjęcie naszej własnej czarnej dziury, zwanej Sgr A*, znajdującej się 27 000 lat świetlnych od Ziemi, w kierunku konstelacji Strzelca, zadebiutowało w 2022 roku.

Możemy spodziewać się więcej takich portretów zagłady. Doktor Doeleman i jego zespół planują kontynuować dodawanie nowych obiektów do swojej sieci i ostatecznie stworzyć film o czarnej dziurze. „Eat your heart out”, na Netflix.