Wpatrując się w Czarną Otchłań — czyli co możemy zobaczyć w środę.

Według Europejskiego Obserwatorium Południowego (ESO), 10 kwietnia astrofizycy przedstawią ważne wyniki pracy Teleskopu Horyzontu Zdarzeń - dużej sieci teleskopów radiowych. Ten międzynarodowy projekt powstał w celu szczegółowego zbadania bezpośredniego sąsiedztwa supermasywnych czarnych dziur, które są zlokalizowane w centrum prawie każdej galaktyki, w tym w Drodze Mlecznej.

Oczekuje się, że wspólna praca wielu teleskopów pozwoli zobaczyć czarną dziurę, a właściwie cień, którą Horyzont Zdarzeń powinien rzucać na otaczający ja dysk akrecyjny.

Jak zmieniło się nasze rozumienie obrazu czarnych dziur, co oznacza "zobaczyć" w tym kontekście i w jaki sposób pomogą tu teleskopy radiowe?

Oczywiście najbardziej rozpowszechnionym obrazem czarnej dziury w kulturze masowej jest obraz Gargantua w filmie "Interstellar", za autentyczność naukową którego odpowiadał słynny amerykański astrofizyk Kip Thorne.
Obraz ten jest naprawdę pełen szczegółów i przejawów niezwykłych efektów optycznych. Jednak pod naciskiem reżysera Christophera Nolana dokładność naukowa została częściowo poświęcona na rzecz spektakularności, co jednak nie zmienia wyniku w absurdalny twór grafiki komputerowej.

Czy obrazy uzyskane przez astronomów po raz pierwszy będą przynajmniej zdalnie przypominać generację technologii cyfrowej?

Istnienie czarnych dziur przewidziano w oparciu o rozważania teoretyczne. Już w 1784 r. John Mitchell opublikował w „Philosophical Transactions of the Royal Astronomical Society of London” pracę o możliwości istnienia czarnych gwiazd — gwiazd tak zwartych, że prędkość ucieczki z ich powierzchni przekracza prędkość światła, a zatem światło z takiej gwiazdy nie może uciec, gwiazda jest niewidoczna, a jej istnienie można wykryć tylko opierając się na rozważaniach teoretycznych.

Czarne dziury w pewnym sensie pozostają obiektami hipotetycznymi, ale astronomowie praktycznie nie wątpią w ich rzeczywistość, jako ogromna liczba pośrednich dowodów ich istnienia, począwszy od obserwacji bliskich podwójnych systemów do fal grawitacyjnych.
Jednak do tej pory nie było bezpośrednich obserwacji czarnych dziur.

Wynika to przede wszystkim z ich bardzo małych rozmiarów i dużego oddalenia: na przykład sylwetka supermasywnej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej, według szacunków, powinna być widoczna pod kątem około 10 mikrosekund łuku.

Istnieją również dodatkowe komplikacje: pobliskie obiekty mogą zakłócać obserwacje, a sygnał propagujący się w środowisku kosmicznym będzie pochłaniany lub rozpraszany, zniekształcając obraz.

Niemniej jednak naukowcy od dawna zastanawiali się nad pytaniem, jak może wyglądać czarna dziura. Pod względem grawitacji jest to obiekt o ekstremalnych właściwościach, w przypadku którego powinny wystąpić niezwykłe zjawiska.

W szczególności przyciąganie czarnej dziury spowoduje znaczne zakrzywienie trajektorii wiązek światła w sąsiedztwie CD, a czas będzie płynął inaczej z punktu widzenia oddalonego obserwatora. Ponadto badanie cieni czarnej dziury pozwoli nam na zbadanie szeregu fundamentalnych kwestii, takich jak dokładność przewidywań teorii Einsteina w przypadku tak silnych pól, poprawność obecnego zrozumienia mechanizmów alokacji energii w ich sąsiedztwie oraz wielu innych, w tym związanych z teoriami egzotycznymi, takimi jak tunele czasoprzestrzenne .

Przestrzeń wokół czarnej dziury zgodnie z teorią względności jest zakrzywiona, dlatego też materia znajdująca się wokół niej zachowuje się w sposób szczególny. Także fotony wyemitowane przez materię spływającą (akreującą) do czarnej dziury zachowują się inaczej niż w płaskiej przestrzeni. Ich trajektorie mogą ulec zakrzywieniu, jeśli znajdą się wystarczająco blisko czarnej dziury. Np. pomimo że zostaną wyemitowane w kierunku do obserwatora, mogą zmienić kierunek lotu i nigdy ich nie zobaczymy.

Pierwszy naukowo uzasadniony obraz czarnej dziury otrzymał francuski astrofizyk Jean-Pierre Luminet w 1979 roku. Ponieważ sama czarna dziura z definicji nie może być źródłem światła, obraz przedstawia jarzenie gazu obracającego się wokół czarnej dziury i stopniowo wpadającego do niej.

W tym obrazie, wykonanym za pomocą wyliczeń matematycznych, obliczeń na komputerze IBM 7040, (oraz zwykłego pędzla i tuszu) można już zauważyć główne nietypowe efekty: widoczne niemal z krawędzi świecącego dysku gazu jest zakrzywiony ze względu na działanie grawitacji, a cały obraz jest asymetryczny, ponieważ z jednej strony jest znacznie wzmocniony ze względu na ruch substancji w kierunku obserwatora, a z drugiej strony — osłabiony.

Jednakże ten wcześniejszy obraz nie uwzględnia rozpraszania w ośrodku międzygwiezdnym i jest wykonany jednocześnie dla wszystkich długości fal.

Prawdziwe teleskopy rejestrują tylko niewielki ułamek widma elektromagnetycznego. Ponadto, instrumenty pracujące w różnych zakresach różnią się znacznie pod względem parametrów optycznych, takich jak np. rozdzielczość. Okazuje się, że jedynym odpowiednim instrumentem do takich obserwacji jest sieć teleskopów radiowych, a najlepszym obiektem jest supermasywna czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej.

Sagittarius A* (w skrócie Sgr A*) – obiekt astronomiczny, który jest jasnym i bardzo zwartym źródłem radiowym w centrum Drogi Mlecznej, częścią większej struktury astronomicznej (Sagittarius A). Odległość do źródła wynosi około 8 kpc (2,4×10^17 km). Chociaż nie do końca jest to pewne, na podstawie badań gwiazdy S2, obiekt ten jest uważany przez astronomów za supermasywną czarną dziurę o masie około 4,31±0,06 milionów mas Słońca (masa Słońca w przybliżeniu wynosi 2×10^30 kg). Według najnowszych obserwacji może ona sięgać nawet 3,7 miliona mas Słońca i mieć promień około pół minuty świetlnej (0,06 j.a.), a więc trzynastokrotnie większy od promienia Słońca. Badania wskazują również, że czarna dziura zwiększyła swoją masę 2 do 4 razy w ciągu ostatnich 5-10 miliardów lat poprzez pochłanianie pobliskich gwiazd.

Supermasywna czarna dziura w centrum naszej Galaktyki jest wyjątkowa, jako nam najbliższa. Co więcej, w jej przypadku możliwa do osiągnięcia przestrzenna zdolność rozdzielcza obserwacji jest bezprecedensowa. Na przykład inna ciekawa supermasywna czarna dziura o masie 3×10^9 mas Słońca w M87 znajdująca się w odległości 17 Mpc, ma rozmiar kątowy na niebie około 3,5 mikrosekundy, podczas gdy rozmiar kątowy Sgr A* jest trzykrotnie większy, około 10 mikrosekund. Z kolei galaktyczne czarne dziury, pomimo że niektóre z nich znajdują się znacznie bliżej nas, są mniej masywne, a więc i mniejsze geometrycznie. Słynna czarna dziura w układzie podwójnym Cyg X-1 o masie około 8,7 mas Słońca leży w odległości 2,5 kpc od Ziemi i ma rozmiar kątowy zaledwie około 14×10^–11 sekund łuku!
„Nasza” supermasywna czarna dziura jest więc doskonałym laboratorium na testowanie efektów ogólnej teorii względności, jak i teorii akrecji w bardzo bliskich odległościach od horyzontu.

Czym różnią się w tym przypadku teleskopy radiowe? Po pierwsze, tylko w tym zakresie w chwili obecnej możliwa jest pełna integracja urządzeń w sieci -to tz. radiointerferometr. Po drugie, możliwe jest wybranie częstotliwości, przy której centrum galaktyczne może być obserwowane stosunkowo łatwo bez nadmiernego rozpraszania się w tym obszarze fal radiowych.

Idea interferometru polega na tym, że jeden i ten sam obiekt jest obserwowany przez kilka instrumentów, a następnie ich dane z określonym dokładnym czasem obserwacji są redukowane i przetwarzane razem. Po przeprowadzeniu wielu takich sesji w różnych odległościach pomiędzy teleskopami odbiorczymi, możliwe jest z dużą dokładnością przywrócenie obrazu obiektu z taką rozdzielczością kątową , jak gdyby obserwował go instrument o rozmiarze równym maksymalnej odległości pomiędzy odbiornikami.

Obraz powstały w interferometrze jest transformatą Fouriera rozkładu jasności obiektu na niebie. Celem uzyskania rozkładu jasności, czyli tzw. mapy jasności radiowej, uzyskane dane przetwarza się, wykonując odwrotną transformatę – za pomocą specjalistycznego oprogramowania. W praktyce obserwacje z poszczególnych anten są rejestrowane osobno, a dopiero po skończonej sesji obserwacyjnej sygnały zarejestrowane są poddawane interferencji, szczególnie jeśli interferometr składa się z większej ilości anten. Dzięki temu uzyskuje się dane z wielu tzw. baz interferometru, co zwiększa dokładność uzyskanych wyników po opracowaniu.

Największym projektem tego typu jest Event Horizon Telescope, który jest interferometrem zbierającym dane z teleskopów radiowych rozmieszczonych na całym świecie. Co może zobaczyć ten "zespolony" instrument?

Wspólne obserwacje powinny mieć rozdzielczość 15 mikrosekund. Średnica horyzontu zdarzeń Sgr A* wynosi 10 mikrosekund, ale promieniowanie nie powinno być emitowane z obszaru o wielkości około 37 mikrosekund, ponieważ nie ma stabilnych orbit tak blisko czarnej dziury, cała materia powinna być szybko wchłaniana przez nią. W związku z tym spodziewamy się, że w centrum plamki świetlnej zobaczymy spadek jasności — takie przewidywane jest możliwe tylko w przypadku czarnej dziury.

Kolejnym ważnym aspektem jest nieznana orientacja geometryczna dysku gazowego. Jeśli jego płaszczyzna jest prostopadła do płaszczyzny widzenia, obraz powinien być symetryczny, a zaciemnienie środka powinno być najbardziej zauważalne.

Jeśli istnieje inny kąt pomiędzy kierunkiem obserwacji i dyskiem, obraz będzie bardziej złożony, ale potencjalnie bardziej informacyjny, ponieważ zniekształcenie formy dysku będzie zależało od grawitacji, co pozwoli przetestować modele teoretyczne. W przypadku małego kąta pomiędzy płaszczyzną obserwacji i dyskiem, efekty wynikające z prędkości ruchu substancji będą maksymalne, czego wynikiem będzie tak duża asymetria, że obserwowane będzie tylko jasna półksiężycowa plamka z boku czarnej dziury.

Najbardziej prawdopodobny jest ten obraz kolumny z prawej.

Innym nieznanym parametrem jest szybkość opadania materii na czarną dziurę w centrum Galaktyki. Istnieją szacunki tej wartości, ale są one niedokładne, podczas gdy ona określa stopień aktywności obiektu i, w szczególności, powinna być związana z możliwą obecnością dżetów, wąskich strumieni materii poruszających się z dużą prędkością z czarnej dziury prostopadłej do płaszczyzny dysku.

Takie formacje powinny również wprowadzać znaczącą asymetrię w rozkład jasności.

Nie powinniśmy zapominać o rozpraszaniu międzygwiezdnym. Teleskop Horyzontu Zdarzeń obserwuje CD w najkorzystniejszym zakresie fal fal milimetrowych i submilimetrowych, ale także w nim chmury znajdujące się pomiędzy nami a centrum Drogi Mlecznej wyraźnie "rozmyją" obraz i sprawią, że będzie on mniej wyraźny, z ukrytymi szczegółami. Astronomowie są świadomi tego problemu i są w stanie go częściowo rozwiązać, tzn. poprawić jakość uzyskanych danych, biorąc pod uwagę parametry ośrodka międzygwiezdnego znanego z innych pomiarów i zniekształcenia przez niego wywołane.

Jednak efekt ten niestety nie zostanie całkowicie wyeliminowany.

W każdym razie nie zobaczymy takich zdjęć jak ta w Interstellar. Po pierwsze, celowo nie uwzględniono w nim niektórych efektów fizycznych, a po drugie, nie będziemy mieli wystarczającej rozdzielczości na obecnym poziomie technologicznym.

[Przewidując klasyczne pytania Wykopowe ]

Czego naukowcy chcą się dowiedzieć z tych pomiarów?

1. Po pierwsze, jak wspomniano powyżej, pozwoli nam to przetestować ogólną teorię względności i uzyskać kolejny, w pewnym sensie, najbardziej bezpośredni dowód istnienia czarnych dziur.

2. Po drugie, naukowcy chcą lepiej zrozumieć, dlaczego niektóre czarne dziury są ośrodkami kolosalnych źródeł promieniowania (kwazary), podczas gdy inne, w tym SgtA*, zachowują się niezwykle skromnie i spokojnie.

Wiążą się z tym zarówno właściwości dysków akrecyjnych z materii spadającej do CD, jak i obecność dżetów.

3. Po trzecie, przyszłe bardziej szczegółowe obserwacje pomogą w testowaniu hipotez egzotycznych, na przykład hipotezy o tunelach czasoprzestrzennych.

Jeśli ta hipoteza jest prawdziwa, w centrum obrazów, gdzie w klasycznym przypadku powinna występować czerń horyzontu zdarzeń, będziemy mogli zaobserwować osobne źródła punktowe lub podłużne - mogą to być widoczne obrazy obiektów z innej strony tunelu czasoprzestrzennego.

Jeśli chcesz być na bieżąco z najlepszymi znaleziskami to zapisz się na MikroListę. https://mirkolisty.pvu.pl/list/56Bf7jbXdbGvM2NK i dodaj Swój nick do listy #swiatnauki.