Pierwszy obraz czarnej dziury

Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) i światowy radioteleskop VLBI  wywołały ostatnio wiele zamieszania w świecie nauki, wykonując nowe obserwacje supermasywnej czarnej dziury (Sagittarius A*) położonej w centrum naszej Drogi Mlecznej.

Wykonane przez te instrumenty obserwacje mogą prowadzić do niezwykłych wyników naukowych, zwiększając tym samym zrozumienie samej natury czarnych dziur jak i postęp w rozwoju aktualnych teorii dotyczących przestrzeni i czasu. A postęp ten jest i tak bardzo szybko - jeszcze dwadzieścia lat temu astronomowie nie wiedzieli, że Sagittarius A* jest miejscem, w którym znajduje się czarna dziura!

W 1974 roku brytyjski astronom Sir Martin Rees zaproponował, że supermasywne czarne dziury mogą rezydować w centrach galaktyk takich jak te, które zawierają aktywne jądra galaktyczne (AGN). Galaktyki takie świecą niewiarygodnie jasno na wielu różnych długościach fal widma elektromagnetycznego. Niektóre z nich nawet z jasnością porównywalną z 30 miliardami Słońc – a do tego jeszcze wyrzucają w przestrzeń potężne dżety naładowanych cząstek. Rees zdał sobie wtedy sprawę, że za tak ogromne energie powinny odpowiadać właśnie supermasywne obiekty - czarne dziury. Niedługo potem zostało to potwierdzone. Jeszcze w tym samym roku amerykańscy radioastronomowie Bruce Balick i Robert Brown z National Radio Astronomy Observatory (NRAO) odkryli niewielkie źródło promieniowania radiowego w centrum naszej Drogi Mlecznej. Na falach radiowych widać było, że jest to najjaśniejsza struktura w centrum Galaktyki, ale była ona jednocześnie dosyć niewielka. Balick i Brown przypuszczali, że może to być słaby kwazar (AGN) należący do typu. który był bardziej powszechny w odległej przeszłości. Jednak obiekt ten znajduje się na naszym kosmicznym podwórku, w odległości zaledwie 26 000 lat świetlnych od Ziemi! Naukowcy nazwali go Sagittarius A* (Sgr A*), ponieważ odnaleźć go możemy patrząc w kierunku konstelacji Strzelca.

Przez następne dwie dekady astronomowie próbowali zrozumieć naturę tego dziwacznego obiektu na różnych długościach fal i zaczęli dopasowywać do siebie różne kawałki tej kosmicznej układanki. W miarę udoskonalania posiadanej technologii dostarczane były im coraz to lepsze i wyraźniejsze obrazy. Okazało się, że gaz i gwiazdy wirują wokół tajemniczego obiektu z niesamowitą prędkością, dochodzącą nawet do pięciu milionów kilometrów na godzinę – dowodząc, że obiekt ten musi być bardzo mały i bardzo masywy, ale o ogromnej grawitacji. Wkrótce po uruchomieniu w 1998 roku obserwatorium rentgenowskiego Chandra naukowcy dostrzegli też pierwszą emisję promieni X z kierunku na źródło Sgr A*. Gdy okoliczna materia jest pochłaniana przez czarną dziurę, emituje swój ostatni "krzyk" objawiający się jako promieniowanie rentgenowskie. Ma to miejsce tuż przed przekroczeniem horyzontu zdarzeń. Promienie rentgenowskie mogą przy tym przenikać do nas przez nawet bardzo gęste obłoki gazu i pyłu, które dla światła widzialnego zasłaniają niewidoczny wówczas optycznie region, dostarczając nam dowody na istnienie skrywającej się w nim czarnej dziury.

Od połowy lat 90 zespoły badawcze w Niemczech i Stanach Zjednoczonych starannie śledziły orbity gwiazd wokół Sgr A*. Zespół amerykański, kierowany przez Andreę Ghez z Grupy Centrum Galaktycznego UCLA, korzystał z Obserwatorium W. M. Kecka w celu wykonania pomiarów pozycji tysięcy gwiazd znajdujących się w pobliżu centrum Galaktyki. Co ciekawe, niemiecki zespół używał bardzo dużego teleskopu ESO (VLT), aby precyzyjnie zmierzyć orbity 28 gwiazd szybko poruszających się wokół Sgr A*. Obie te grupy naukowców pokazały ostatecznie najbardziej szczegółowy obraz okolicy źródła Sgr A*.

"Niewątpliwie najbardziej spektakularnym aspektem naszego długoterminowego badania jest dostarczenie czegoś, co jest dziś uważane za najlepszy empiryczny dowód istnienia supermasywnych czarnych dziur", skomentował Reinhard Genzel, lider zespołu niemieckiego z Instytutu Maxa Plancka. "Gwiezdne orbity w centrum Galaktyki pokazują, że centralne skupisko materii o masie rzędu czterech milionów mas słońca musi być czarną dziurą - bez jakichkolwiek wątpliwości".

Wiele lat temu nauczyliśmy się już dużo o Sgr A*, ponieważ jego nieprzerwane badania powoli ujawniały coraz więcej jego tajemnic. Dzisiaj wiemy już, że jest to twór ponad 4 miliony razy większy niż nasze Słońce, ale jest on przy tym również bardzo mały, ponieważ ma tylko jakieś 40 milionów kilometrów średnicy – w przybliżeniu tyle, co odległość Merkurego od Słońca. Jest też dość cichy jak na czarną dziurę – nie emituje ogromnej ilości promieniowania. Wskazuje to na to, że ta czarna dziura nie zużywa dużych ilości okolicznej materii.

Astronomowie wychwycili tam jednak oślepiające promieniowanie rentgenowskie, setki razy jaśniejsze niż to, jakie zwykle się obserwuje. Uważają, że mogły być ono wynikiem spadku planetoidy na czarną dziurę, albo też jego przyczyną jest splątanie linii pola magnetycznego w obrębie napływającego gazu.

Zespół GMVA i EHT wykorzystał interferometrię wielkobazową VLBI. Dzięki tej technice otrzymany obraz Sagittariusa A* był dokładniejszy niż kiedykolwiek przedtem. Połączono w tym celu różne radioteleskopy z całego świata. Oprócz sondowania okolicznych obszarów wokół czarnej dziury astronomowie szukają tam także jednego z ostatnich elementów układanki – dowodów na istnienie horyzontu zdarzeń. Jest to promień wokół osobliwości, zza którego materia i energia nie mogą już uciec przed przyciąganiem grawitacyjnym czarnej dziury.  Zespoły EHT i GMVA mają na celu zaobserwowanie tzw. cienia horyzontu zdarzeń. Nie tylko będzie to dowodem jego istnienia - pomiar jego kształtu i wielkości da im także bezprecedensowy sposób weryfikacji ogólnej teorii względności Einsteina. Ale oczywiście nie jest to łatwe zadanie, które zajmie im zapewne jeszcze sporo czasu.


Źródło: ESO

Opracował:
Adam Tużnik


Więcej informacji:


Zdjęcie: obraz radioźródła Sagittarius A* zarejestrowany przez orbitalne obserwatorium rentgenowskie Chandra (NASA). Źródło: NASA/CXC/Caltech/M.Muno et al.