Sagittariusa A*. Naukowcy pokazali zdjęcie czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej

"W centrum Drogi Mlecznej znajduje się supermasywna czarna dziura" - naukowcy od dawna wysnuwali taką teorię, opierając się m.in. na obserwacjach ruchu gwiazd w centralnym obszarze naszej galaktyki - ten wskazywał, że w tym miejscu znajduje się obiekt o masie cztery miliony razy większej niż masa Słońca. 

Czarna dziura to obszar, w którym siła grawitacyjna jest tak potężna, że nie pozwala uciec żadnej materii, nawet światłu. Do jej wytworzenia potrzeba zgromadzenia bardzo dużej masy w małej objętości. Matematyczna granica tego obszaru zwana jest horyzontem zdarzeń. Istnieją dwa główne rodzaje czarnych dziur: o masach gwiazdowych oraz supermasywne czarne dziury o masach milionów, a nawet miliardów mas Słońca.

Czarna dziura w centrum Drogi Mlecznej. Naukowcy pokazali zdjęcie

Zaprezentowane w czwartek zdjęcie jest pierwszym bezpośrednim potwierdzeniem wizualnym istnienia czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Widać na nim cień czarnej dziury i jasny pierścień tuż obok horyzontu zdarzeń. Rozmiar cienia czarnej dziury ma około 52 mikrosekundy łuku na niebie.

ZOBACZ: Udało się! Naukowcy po raz pierwszy wyhodowali rośliny na księżycowej glebie

Pokazane zdjęcie nie jest pierwszym w historii obrazem czarnej dziury. W 2019 roku ogłoszono wyniki obserwacji cienia czarnej dziury z galaktyki Messier 87 (obiekt M87*). W obu przypadkach mamy do czynienia z supermasywnymi czarnymi dziurami, ale występują pomiędzy nimi różnice: M87* jest około 1600 razy masywniejsza niż Sagittarius A*.

Zdjęcie czarnej dziury. Naukowcy zaskoczeni

Geoffrey Bower z Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica w Tajpej (Tajwan), pracujący w zespole projektu EHT powiedział, że "jest oszołomiony tym, jak dobrze rozmiar pierścienia zgadza się z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina. Te bezprecedensowe obserwacje znacznie poprawiły zrozumienie tego, co dzieje się w samym centrum naszej galaktyki i dają nowy wgląd w interakcje olbrzymiej czarnej dziury z otoczeniem".

Z kolei dr Maciej Wielgus, astrofizyk, który brał udział w projekcie, mówił o "filozoficznym znaczeniu odkrycia". 

- Widzimy po raz pierwszy najgłębsze centrum naszej własnej galaktyki, wokół którego wszyscy obracamy się z prędkością jednego obrotu na 250 milionów lat. To jest nasza czarna dziura - powiedział. - Zobaczenie po raz pierwszy centrum naszej galaktyki ma wręcz filozoficzne znaczenie - dodał.

Sagitarius A*. Co o nim wiemy?

Jak wskazują naukowcy, obserwacje Sagittariusa A* były dużo trudniejsze, niż tej w galaktyce M87, ze względu na dużo szybszą zmienność okolic czarnej dziury. W obu przypadkach gaz w pobliżu czarnej dziury porusza się z taką samą prędkością, bliską prędkości światła. Jednak okrążenie M87* zajmuje mu dni, a nawet tygodnie, natomiast obiegnięcie całej orbity wokół Sagitariusa A* to dla gazu zaledwie minuty. Oznacza to, że jasność i struktury gazu wokół niego zmieniają się dużo gwałtowniej, co utrudnia uzyskanie stabilnego obrazu. Naukowcy musieli opracować metody uwzględniające ruchy gazu.

W przypadku czarnych dziur masa jest wprost proporcjonalna do promienia, zatem M87* jednocześnie jest też 1600 razy większa. Jednak ze względu na różnicę odległości, obie mają dla nas podobny rozmiar kątowy na niebie. Czarna dziura M87* leży w odległości 55 milionów lat świetlnych, a od Sagittariusa A* dzieli nas 27 tysięcy lat świetlnych.

ZOBACZ: Szef Facebooka pokazał demo Project Cambria, czyli przyszłość VR

Naukowcy wskazują, że pomimo tych różnic obiekty są bardzo podobne. Jak tłumaczy Sera Markoff z University of Amsterdam w Holandii, współprzewodnicząca Rady Naukowej EHT, mamy dwa zupełnie różne typy galaktyk i dwie zupełnie różne masy czarnych dziur - ale w pobliżu brzegów tych czarnych dziur wyglądają one niesamowicie podobnie, co mówi nam, że ogólna teoria względności rządzi tymi obiektami z bliska, a jakiekolwiek różnice, które widzimy dalej, muszą wynikać z różnic w materii, która otacza czarne dziury.

Obraz czarnej dziury. "Dowiadujemy się kilku nowych rzeczy"

Dr Maciej Wielgus stwierdził, że astrofizycy bardzo chcą zrozumieć, co się dzieje w centrum naszej galaktyki. - Dzięki temu obrazowi dowiedzieliśmy się kilku nowych rzeczy - dodał. - Zdobywamy specjalistyczną wiedzę, np. taką, że Sagittarius A* dynamicznie zmienia się w krótkiej skali czasowej. Oznacza to, że w przyszłości możemy studiować dynamikę opadania materii na czarną dziurę".

Dodał, że obserwowana dzięki "zdjęciu" zmienność czarnej dziury jest nieco mniejsza, niż wynikało z modeli teoretycznych. - W modelach czegoś brakuje, gdyż widać, że prawdziwy obiekt jest trochę mniej zmienny, niż wynika z obliczeń. Nie wiemy czemu. Sądzę, że wielu fizyków - teoretyków usiądzie teraz i spróbuje ustalić, dlaczego nasze najlepsze modele numeryczne przewidują nieco więcej zmienności, niż widzimy w tych obserwacjach - mówi.

ZOBACZ: Nowa funkcja w Google - Immersive View. Rzeczywisty świat 3D w telefonie

Bezpośrednie obserwowanie Sagittariusa A* dostarcza też nowych informacji nt. materii, która opada w jego kierunku. Obecne tam elektrony są najprawdopodobniej dużo chłodniejsze, niż protony. - Teoretycznie to przewidywano. Nigdy jednak nie mieliśmy potwierdzenia, że istnieją takie astronomiczne przepływy, w których elektrony i protony mają zupełnie inne temperatury. Teraz mamy - podsumował naukowiec.

Jak powstaje zdjęcie czarnej dziury?

Obraz czarnej dziury uzyskano w wyniku analizy danych z obserwatoriów radiowych, współpracujących w ramach projektu o nazwie Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT). Efekty swoich prac naukowcy przedstawili w czwartek, na zorganizowanych równocześnie w kilku miejscach na świecie konferencjach prasowych.

Pokazany obraz czarnej dziury określano m.in. jako "zdjęcie", ale z tradycyjną fotografią nie ma to nic wspólnego. - W przypadku czarnej dziury mamy inną metodę rekonstrukcji obrazu, niż np. w aparacie fotograficznym - powiedział dr Wielgus.

Wyjaśniając, jak powstaje takie "zdjęcie" - zauważył on, że każdy obraz składa się z pewnych komponentów i kiedy robimy zwykłą fotografię, "to widzimy je wszystkie". Takie właśnie tradycyjne zdjęcie czarnej dziury można by zrobić tylko i wyłącznie, dysponując radioteleskopem z czaszą o średnicy Ziemi. - Takiego nikt nam jednak nie zafunduje - zażartował.

Astronomowie wykorzystali inną metodę obserwacji: zaprzęgli do pracy osiem radioteleskopów, rozrzuconych w różnych miejscach świata. Radioteleskopy łączyli w pary w różnych konfiguracjach. Później, za pomocą tych par, obserwowali odległy obiekt w kosmosie.

- Przy pomocy par radioteleskopów mierzymy jeden komponent obrazu. Mając osiem różnych teleskopów, możemy stworzyć 28 par, co pozwala zmierzyć 28 komponentów danego obrazu. To już coś - podkreślił współautor badań.

Takim obserwacjom sprzyjają obroty Ziemi, które zmieniają geometrię trójkątów, złożonych z dwóch teleskopów i obserwowanego obszaru. - Ziemia się kręci, więc przez kilka godzin możemy zmierzyć wiele komponentów obrazu. Następnie dokonujemy numerycznej rekonstrukcji obrazu - przy pomocy obliczeń możemy uzupełnić brakujące w obrazie dane - komentuje dr Wielgus. - Nad tymi danymi - ich redukcją, kalibracją i zrozumieniem, co z tego wynika - siedzieliśmy pięć lat. Co za ulga, że w końcu mamy efekt!

Zdjęcie Sagittariusa A*. W projekt zaangażowano setki naukowców

W pracach brał udział zespół złożony z ponad 300 naukowców z 80 instytutów z całego świata. Do obserwacji przeprowadzonych w kwietniu 2017 roku wykorzystano szereg radioteleskopów: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), IRAM 30-meter Telescope, James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), Submillimeter Array (SMA), UArizona Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT). Od tamtej pory do sieci EHT dodano także: Greenland Telescope (GLT), NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) oraz UArizona 12-meter Telescope na Kitt Peak.

Europejskim wkładem w to ważne odkrycie, oprócz zespołów badawczych i teleskopów, był także superkomputer do łączenia danych EHT, utrzymywany w Max Planck Institute for Radio Astronomy w Niemczech, oraz granty finansowe Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych oraz Max Planck Society w Niemczech.

ZOBACZ: Cichy, wygodny i ekonomiczny Airbus A350. Co to za samolot?

W zespole EHT jest dwoje Polaków: prof. Monika Mościbrodzka z Radboud University w Nijmegen (Holandia) oraz dr Maciek Wielgus z Max Planck Institute for Radioastronomy w Bonn (Niemcy). Prof. Mościbrodzka wniosła znaczny wkład w teorię związaną z publikacjami, a dr Wielgus - w przetwarzanie danych. Jest on pierwszym autorem jednej z publikacji, dotyczącej krzywych zmian blasku Sagittariusa A*.

Wyniki badań opublikowano w serii artykułów, które ukazały się w specjalnym wydaniu naukowego czasopisma "The Astrophysical Journal Letters".