Czarna dziura, jak pokazano w filmie Międzygwiezdne, dość dokładnie pokazuje horyzont zdarzeń dla bardzo specyficznej klasy wirujących czarnych dziur. Źródło zdjęcia: Interstellar / R. Hurt / Caltech.

2018 będzie rokiem, w którym ludzkość bezpośrednio „zobaczy” naszą pierwszą czarną dziurę

Event Horizon Telescope przeszedł do trybu online i wziął swoje dane. Teraz czekamy na wyniki.

Czarne dziury to jedne z najbardziej niesamowitych obiektów we Wszechświecie. Są miejsca, w których zgromadziła się tak duża masa w tak niewielkiej objętości, że pojedyncze cząstki materii nie mogą pozostać takie, jakie są normalnie, a zamiast tego zapadają się w osobliwość. Tę osobliwość otacza region przypominający kulę, znany jako horyzont zdarzeń, z którego nic nie może uciec, nawet jeśli porusza się z maksymalną prędkością Wszechświata: prędkością światła. Chociaż znamy trzy odrębne sposoby tworzenia czarnych dziur i odkryliśmy dowody na tysiące z nich, nigdy nie stworzyliśmy jednego z nich bezpośrednio. Pomimo wszystkiego, co odkryliśmy, nigdy nie widzieliśmy horyzontu zdarzeń czarnej dziury, ani nawet nie potwierdziliśmy, że naprawdę go mają. W przyszłym roku wszystko się zmieni, gdy zostaną ujawnione pierwsze wyniki z Event Horizon Telescope, odpowiadające na jedno z najdłużej zadawanych pytań w astrofizyce.

Lokalizacje planowanych anten radiowych są częścią tablicy Event Horizon Telescope. Źródło zdjęcia: Event Horizon Telescope / University of Arizona.

Idea czarnej dziury nie jest niczym nowym, ponieważ naukowcy od stuleci zdali sobie sprawę, że gromadząc więcej masy w danej objętości, musisz poruszać się z coraz większą prędkością, aby uciec ze studni grawitacyjnej, którą ona tworzy. Ponieważ istnieje maksymalna prędkość, z jaką może przejść każdy sygnał - prędkość światła - osiągniesz punkt, w którym wszystko z tego regionu zostanie uwięzione. Materia w środku będzie próbowała się oprzeć przed zapadnięciem grawitacyjnym, ale wszelkie cząstki przenoszące siłę, które próbuje wyemitować, wyginają się w kierunku centralnej osobliwości; nie ma możliwości wywierania nacisku na zewnątrz. W rezultacie osobliwość jest nieunikniona, otoczona horyzontem zdarzeń. Coś, co mieści się w horyzoncie wydarzeń? Również uwięziony; z poziomu horyzontu zdarzeń wszystkie ścieżki prowadzą do centralnej osobliwości.

Ilustracja aktywnej czarnej dziury, która akretuje materię i przyspiesza jej część na zewnątrz w dwóch prostopadłych strumieniach, może pod wieloma względami opisać czarną dziurę w centrum naszej galaktyki. Źródło zdjęcia: Mark A. Garlick.

Praktycznie istnieją trzy znane nam mechanizmy tworzenia prawdziwych, astrofizycznych czarnych dziur.

  1. Kiedy wystarczająco masywna gwiazda pali się przez paliwo i przechodzi w supernową, rdzeń centralny może implodować, przekształcając znaczny fragment gwiazdy sprzed supernowej w czarną dziurę.
  2. Kiedy dwie gwiazdy neutronowe łączą się, jeśli ich łączna masa po połączeniu wynosi więcej niż około 2,5 do 2,75 mas Słońca, spowoduje to powstanie czarnej dziury.
  3. A jeśli masywna gwiazda lub chmura gazu może ulec bezpośredniemu zapadnięciu, to również wytworzy czarną dziurę, w której 100% początkowej masy trafi do ostatecznej czarnej dziury.
Grafika ilustrująca prosty czarny okrąg, być może z pierścieniem wokół niego, jest uproszczonym obrazem tego, jak wygląda horyzont zdarzeń. Źródło zdjęcia: Victor de Schwanberg.

Z czasem czarne dziury mogą nadal pożerać materię, proporcjonalnie zwiększając zarówno masę, jak i rozmiar. Jeśli podwoisz masę czarnej dziury, jej promień również się podwoi. Jeśli zwiększysz go dziesięciokrotnie, promień również wzrośnie dziesięciokrotnie. Oznacza to, że wraz ze wzrostem masy - wraz ze wzrostem czarnej dziury - horyzont zdarzeń staje się coraz większy. Ponieważ nic nie może z niego uciec, horyzont zdarzeń powinien pojawić się jako czarna „dziura” w przestrzeni, blokując światło od wszystkich znajdujących się za nim obiektów, spotęgowana przez zginanie grawitacyjne światła z powodu prognoz ogólnej teorii względności. Podsumowując, oczekujemy, że horyzont zdarzeń pojawi się, z naszego punktu widzenia, o 250% tak duży, jak wynikałoby z prognoz masy.

Czarna dziura nie jest tylko masą nałożoną na izolowane tło, ale będzie wykazywać efekty grawitacyjne, które rozciągają, powiększają i zniekształcają światło tła z powodu soczewkowania grawitacyjnego. Źródło zdjęcia: Ute Kraus, grupa wychowania fizycznego Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (tło).

Biorąc to wszystko pod uwagę, możemy spojrzeć na wszystkie znane czarne dziury, w tym ich masy i ich odległość, i obliczyć, która z nich powinna być największa z Ziemi. Zwycięzca? Strzelec A *, czarna dziura w centrum naszej galaktyki. Połączone właściwości bycia „zaledwie” 27 000 lat świetlnych w odległości, przy jednoczesnym osiągnięciu spektakularnie dużej masy, która jest 4 000 000 razy większa niż Słońce, czyni ją # 1. Co ciekawe, czarna dziura, która uderza # 2, jest centralną czarną dziurą M87: największej galaktyki w gromadzie Panny. Mimo że ma ponad 6 miliardów mas Słońca, leży w odległości około 50–60 milionów lat świetlnych. Jeśli chcesz zobaczyć horyzont zdarzeń, naszym własnym centrum galaktycznym jest miejsce, w którym można patrzeć.

Niektóre z możliwych sygnałów profilu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, jak wskazują symulacje teleskopu Horizon zdarzeń, wskazują. Źródło zdjęcia: High-Angular-Resolution and High-Sensitivity Science Enableled Beamformed ALMA, V. Fish i in., ArXiv: 1309.3519.

Gdybyś miał teleskop wielkości Ziemi i nic między nami a czarną dziurą nie blokowało światła, byłbyś w stanie go zobaczyć, nie ma problemu. Niektóre długości fal są względnie przezroczyste dla działającej materii galaktycznej, więc jeśli spojrzysz na światło o długiej fali, takie jak fale radiowe, potencjalnie możesz zobaczyć sam horyzont zdarzeń. Teraz nie mamy teleskopu wielkości Ziemi, ale mamy szereg radioteleskopów na całym świecie i techniki łączenia tych danych w celu uzyskania jednego obrazu. Event Horizon Telescope łączy w sobie to, co najlepsze w naszej obecnej technologii i powinien umożliwić nam zobaczenie naszej pierwszej czarnej dziury.

Widok różnych teleskopów przyczyniających się do możliwości obrazowania teleskopu Event Horizon z jednej z półkul Ziemi. Dane zostały pobrane w kwietniu, co powinno umożliwić wykrycie (lub niewykrycie) horyzontu zdarzeń wokół Strzelca A * w ciągu następnego roku. Źródło zdjęcia: APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT / JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO / C. Malin

Zamiast jednego teleskopu na całym globie rozmieszczone są od 15 do 20 teleskopów radiowych, które jednocześnie obserwują ten sam cel. Dzięki odległości do 12 000 kilometrów od najdalszych teleskopów, obiekty tak małe, jak 15 mikrosekund (μas) można rozwiązać: wielkość muchy na Księżycu. Biorąc pod uwagę masę i odległość Strzelca A *, spodziewamy się, że będzie on ponad dwa razy większy niż ta liczba: 37 μas. Przy częstotliwościach radiowych powinniśmy widzieć dużo naładowanych cząstek przyspieszanych przez czarną dziurę, ale powinna istnieć „pustka”, w której leży sam horyzont zdarzeń. Jeśli potrafimy poprawnie połączyć dane, powinniśmy być w stanie po raz pierwszy skonstruować obraz czarnej dziury.

Pięć różnych symulacji ogólnej teorii względności, wykorzystujących magnetohydrodynamiczny model dysku akrecyjnego czarnej dziury i jak będzie wyglądał sygnał radiowy. Zwróć uwagę na wyraźną sygnaturę horyzontu zdarzeń we wszystkich oczekiwanych wynikach. Źródło obrazu: symulacje GRMHD zmienności amplitudy widzialności dla obrazów Sgr A * z Event Horizon Telescope, L. Medeiros i in., ArXiv: 1601.06799.

Teleskopy składające się z Event Horizon Telescope po raz pierwszy wykonały obserwację Strzelca A * jednocześnie w zeszłym roku. Dane zostały zebrane, a obecnie są przygotowywane i analizowane. Jeśli wszystko działa zgodnie z planem, będziemy mieli pierwszy obraz w 2018 roku. Czy pojawi się on zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności? Jest kilka niesamowitych rzeczy do przetestowania:

  • czy czarna dziura ma odpowiedni rozmiar, zgodnie z ogólną teorią względności,
  • czy horyzont zdarzeń jest okrągły (zgodnie z przewidywaniami), czy zamiast tego jest spłaszczony lub wydłużony,
  • czy emisje radiowe rozciągają się dalej, niż myśleliśmy, lub
  • czy istnieją inne odchylenia od oczekiwanego zachowania.
Ułożenie dysku akrecyjnego zarówno w kierunku do przodu (dwa lewe panele), jak i do krawędzi (prawe dwa panele) może znacznie zmienić wygląd czarnej dziury. Zdjęcie: „W stronę horyzontu wydarzeń - supermasywna czarna dziura w centrum galaktycznym”, klasa. Quantum Grav., Falcke & Markoff (2013).

Cokolwiek zrobimy (lub nie) odkryjemy, jesteśmy gotowi dokonać niesamowitego przełomu, po prostu tworząc nasz pierwszy w historii obraz czarnej dziury. Nie będziemy już musieli polegać na symulacjach lub koncepcjach artysty; przygotujemy nasz pierwszy rzeczywisty obraz oparty na danych. Jeśli się powiedzie, toruje drogę dla jeszcze dłuższych badań podstawowych; dzięki szeregowi radioteleskopów w kosmosie możemy rozszerzyć nasz zasięg z jednej czarnej dziury do wielu setek. Jeśli rok 2016 był rokiem fali grawitacyjnej, a rok 2017 był rokiem połączenia gwiazdy neutronowej, to rok 2018 jest ustawiony na rok horyzontu zdarzeń. Dla każdego fana astrofizyki, czarnych dziur i ogólnej teorii względności żyjemy w złotym wieku. To, co kiedyś uznano za „nieuleczalne”, nagle stało się rzeczywistością.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.