Kto wykonał pierwszy obraz czarnej dziury?

Czarne dziury to wyjątkowo egzotyczne ciała niebieskie. Zanim je zaobserwowano, naukowcy przewidzieli ich istnienie na gruncie teorii. Jednak przez długi czas nie wszyscy wierzyli w ich istnienie. Co ciekawe, możemy je zobaczyć, mimo że nie powinny emitować promieniowania.

Jak wyglądają czarne dziury? Miejmy nadzieję, że już za parę miesięcy dowiemy się tego dzięki Teleskopowi Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope), który ma dostarczyć nam pierwsze “rzeczywiste” zdjęcie jednego z tych dziwnych obiektów. Tym bardziej warto jednak podkreślić, że już w 1979 roku Jean-Pierre Luminet stworzył pierwszy naukowy obraz czarnej dziury, używając w tym celu tylko wczesnego komputera, matematyki i tuszu kreślarskiego.

Problem z obrazowaniem czarnych dziur polega na tym, że z definicji nie emitują one żadnego światła ani promieniowania. Na szczęście jednak duże czarne dziury są zwykle zlokalizowane w pobliżu innych gwiazd i w sposób ciągły wysysają ich materię - a to już możemy zobaczyć. Gaz pochodzący z tych gwiazd i opadający ruchem spiralnym na powierzchnię czarnej dziury coraz bardziej rozgrzewa się tam na skutek tarcia. W pewnym momencie zaczyna świecić. Utworzone z niego pierścienie akrecyjne nie tylko emitują promieniowanie, ale i oświetlają centralną część czarnej dziury.

Cechą wyróżniającą czarną dziurę jest granica jej horyzontu zdarzeń, czyli miejsca, z którego dostająca się w jej otoczenie materia i światło nie mają już fizycznej możliwości powrotu. Ale na jej obrzeżach materiał zasysany z okolicznych gwiazd tworzy dysk akrecyjny. Pokazano go między innymi na słynnym filmie “Interstellar” - jako dwa jasne, prostopadłe do siebie dyski. To jednak tylko złudzenie - na równiku czarnej dziury jest tylko jeden dysk, ale jego światło jest odchylone w górę przez ekstremalnie silną grawitację czarnej dziury (to w zasadzie zjawisko soczewkowania grawitacyjnego).

Pokazany powyżej obraz autorstwa Jean-Pierre Lumineta przedstawia jednak dwa inne ważne zjawiska, których nie mogliśmy odnaleźć oglądając “Interstellar”. Jednym z nich jest to, że energia i światło są silniejsze w pobliżu krawędzi czarnej dziury, ale słabną w dalszej od niej odległości. Drugim efektem jest zjawisko Dopplera oraz tzw. efekt Einsteina spowodowany obrotem samego dysku akrecyjnego (i zarazem czarnej dziury). Dzięki nim światło wydaje się jaśniejsze po jednej z jego stron, w zależności od kierunku obrotu obiektu. Na obrazie Lumineta dysk akrecyjny obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, więc jego światło zbliża się do widza po lewej stronie i cofa się z prawej strony, sprawiając, że lewa strona wygląda jaśniej. Realistyczny obraz czarnej dziury powinien zatem przedstawiać dodatkowo silną asymetrię jasności dysku. W opisywanym filmie ekspert od czarnych dziur, Kip Thorne, był tego świadom, ale reżyser Christopher Nolan zrezygnował z tego pomysłu, aby... nie namieszać przesadnie w głowach widzom.

Na zdjęciu: galaktyczna czarna dziura pokazana na filmie "Interstellar".

Jak stary jest pokazany tu obraz czarnej dziury? Luminet obliczył to wszystko jeszcze w 1979 roku, wykorzystując mainframe IBM 7040, wczesny komputer tranzystorowy z wejściami dla kart dziurkowanych. Maszyna wygenerowała izolinie, które można było bezpośrednio przełożyć na gładkie krzywe za pomocą prostego, dostępnego w tym czasie na rynku oprogramowania do rysowania grafiki komputerowej. Jednak ostateczny obraz zawdzięczamy w dużej mierze artystycznym zdolnościom autora. Wykorzystując liczby wygenerowane przez komputer Luminet nanosił tysiące kropek na papierze za pomocą czarnego indyjskiego tuszu kreślarskiego, umieszczając kropki bardziej gęsto tam, gdzie symulacja komputerowa pokazywała więcej światła. Następnie zrobił z takiego rysunku negatyw, uzyskując obraz, w którym odpowiadające światłu punkty czarne stały się białymi punktami na ciemnym tle.

Co ciekawe, nowe symulacje komputerowe tworzone przez naukowców z NASA i innych instytutów badawczych wciąż niezmiennie pokazują te same elementy definiujące czarne dziury - cienkie pierścienie fotonowe w środku, światło przesunięte zgodnie z efektami Dopplera i Einsteina, oraz podwójny dysk akrecyjny wywołany soczewką grawitacyjną.


Czytaj więcej:

Źródło: Sci-tech Universe

 

Na zdjęciu powyżej: oryginalny obraz czarnej dziury Lumineta z roku 1979. Źródło: Blog Lumineta