Jak zrobić zdjęcie czarnej dziury?

Hasło „zdjęcie czarnej dziury” brzmi co najmniej abstrakcyjnie. Bo jak zrobić zdjęcie czegoś, co nie jest – z definicji – źródłem żadnego promieniowania? Kilka dni temu pokazano zdjęcie czarnej dziury, która znajduje się w centrum naszej galaktyki. Jak robi się takie zdjęcia?

Czy to na pewno czarna dziura na zdjęciu?

Żeby być ścisłym, zdjęcie nie przedstawia czarnej dziury, tylko raczej obszaru wokół czarnej dziury. Czarna dziura jest obiektem niewidocznym z zasady, z natury i z definicji. Nie ma to nic wspólnego z technologią, jaką dysponujemy, tylko z fizyką.

Nie da się „naocznie” stwierdzić czy są kulami, czy sześcianami (raczej kulami, prawie na pewno kulami). Trudno stwierdzić czy ich powierzchnia jest idealnie płaska jak lustro (tam nam się wydaje), czy raczej pofałdowana jak masyw Himalajów (to dość mało prawdopodobne). W końcu czy jest tam rzeczywiście czarno, czy może… pomarańczowo. Tego nie dowiemy się nigdy. Dlaczego? Bo czarne dziury – jak sama nazwa wskazuje – są czarne, czyli dla nas niewidoczne.

Czy można zobaczyć czarną dziurę?

Nie znaczy to jednak, że nic o nich nie wiemy. Powietrza też nie widać, a jednak dmuchając w rurkę możemy zrobić z niego pęcherzyki, które widzimy pod wodą. I choć powietrze dalej jest w nich niewidoczne, to jednak widzimy granicę pomiędzy gazem a cieczą. Widzimy, gdzie te bańki są, jakiej są wielkości i jaki mają kształt. Jest pewna analogia między bańkami a czarnymi dziurami. Samego obiektu nie widzimy, ale jego otoczenie, i to dalsze i to bliższe, już tak. Badając to otoczenie jesteśmy w stanie powiedzieć wiele o wielkości i o masie czarnej dziury.

Jak wygląda czarna dziura?

Nie znaczy to jednak, że nic o nich nie wiemy. Powietrza też nie widać, a jednak dmuchając w rurkę możemy zrobić z niego pęcherzyki, które widzimy pod wodą. I choć powietrze dalej jest w nich niewidoczne, to jednak widzimy granicę pomiędzy gazem a cieczą. Widzimy, gdzie te bańki są, jakiej są wielkości i jaki mają kształt. Jest pewna analogia między bańkami a czarnymi dziurami. Samego obiektu nie widzimy, ale jego otoczenie, i to dalsze i to bliższe, już tak. Badając to otoczenie jesteśmy w stanie powiedzieć wiele o wielkości i o masie czarnej dziury.

Pierwsze zdjęcie czarnej dziury

Pierwsze bezpośrednie zdjęcie czarnej dziury, jej bliskiego sąsiedztwa, pokazano niemal dokładnie trzy lata temu. Było to zdjęcie czarnej dziury, która znajdującej się w centrum galaktyki M87 jakieś 55 mln lat świetlnych od nas. Kilka dni temu pokazano zdjęcie Sagitarius A* a więc czarnej dziury w centrum naszej galaktyki.

BREAKING 🚨: The black hole at center of our galaxy has been capture for the first time pic.twitter.com/qhrnsxlk3X

— Latest in space (@latestinspace) May 12, 2022

Na zdjęciu widać jasny pierścień i czarny środek. Ten środek to nie jest czarna dziura. Ten środek to obszar z którego światło się już nie wydostaje. Granica pomiędzy jasnym a czarnym to tzw. horyzont zdarzeń. Co go przekroczy – już nie wraca. W wielkim skrócie.

Czarna dziura jako obiekt jest gdzieś tam w środku tego czarnego obszaru. Z kolei ten jasny pierścień to materia przyspieszana do ogromnych prędkości, która podczas tego przyspieszania rozgrzewa się i emituje promieniowanie. Modele mówią, że to, co widzimy to materia rozpędzona do prędkości nawet 30 proc. prędkości światła i rozgrzana do setek milionów stopni. To co obserwujemy, to, co fotografujemy, to materia, która za chwilę stanie się czarną dziurą. To materia, która jest jak woda na progu wodospadu. Gdy przekroczy próg, już nie będzie odwrotu.

To Cię też zainteresuje: Jak powstają gwiazdy? Naukowcy rozwiązują tajemnicę

Widzimy więc próg wodospadu, nie widzimy dna rzeki albo jeziora, do którego woda wpada. Nie wiemy ile zajmie materii lot między progiem a tym dnem, czyli powierzchnią czarnej dziury. Wiemy jednak, że, co przekroczy horyzont zdarzeń, nie ma jak wrócić. A ściślej rzecz biorąc, tzw. prędkość ucieczki dla czegokolwiek, co znajduje się wewnątrz horyzontu zdarzeń jest większa niż prędkość światła.

Jak powstało zdjęcie czarnej dziury? Teleskop Horyzontu Zdarzeń

Teleskop, który to zdjęcie wykonał, ale to sprzed kilku lat też, to EHT czyli Teleskop Horyzontu Zdarzeń. I znowu wyjaśnienie. Żeby być ścisłym, Teleskop Horyzontu Zdarzeń to nie jedno urządzenie, ale aż osiem radioteleskopów rozmieszczonych na kilku kontynentach, a zdjęcie o którym dzisiaj mówię powstało dzięki ich skoordynowanej pracy.

Taka sieć radioteleskopów staje się interferometrem, czyli jednym ogromnym radioteleskopem. W przypadku EHT radioteleskopy były rozmieszczone od Bieguna Południowego, przez Chile, w górach, w Andach w Sierra Newada w Hiszpanii i na Hawajach, na szczytach wygasłych wulkanów. Obraz zebrany przez taką ogromną sieć nie powstaje od razu. Muszą go złożyć superkomputery i trwa to wiele miesięcy. Zdjęcia zarówno czarnej dziury w M87, jak i w Drodze Mlecznej zostały wykonane w zakresie fal milimetrowych.

Dlaczego to takie trudne?

Może się wydawać dziwne, że pierwsze zdjęcie czarnej dziury dotyczyło obiektu, który jest od nas oddalony o dziesiątki milionów lat świetlnych, a dopiero teraz zrobiono zdjęcie czarnej dziury, która jest od nas o zaledwie 27 tys. lat świetlnych. Galaktyki są jak talerze, jak dyski. Gdy patrzymy na nie od dołu albo od góry – cokolwiek jest górą albo dołem – w przestrzeni kosmicznej, widzimy znacznie więcej, niż gdy patrzymy na nie jak gdyby od boku.

Patrząc więc na środek naszej galaktyki, musimy się przebić przez całą materię, która jest między nami a tym środkiem. Im bliżej środka galaktyki jesteśmy, tym jest tam ciaśniej, tym więcej obiektów np. gwiazd, ale także tym gęstsze są obłoki międzygwiezdnego pyłu i gazu. Niełatwo się przez to przebić i zobaczyć co znajduje się w środku. Do tego, ogromne masy są źródłem ogromnej siły grawitacji, która zakrzywia bieg promieni elektro – magnetycznych, a to powoduje że nie tak prosto jest odpowiedzieć na pytanie czy to co obserwujemy, w ogóle się tam znajduje.

W środku Drogi Mlecznej, w promieniu kilku lat świetlnych jest kilkanaście milionów gwiazd. Na obszarze o analogicznej wielkości ale wokół naszego Układu Słonecznego – oprócz Słońca nie ma ani jednej gwiazdy. Tam w środku jest naprawdę spore zagęszczenie. 

Trudności w obserwacjach

Dodatkową trudnością w obserwacjach jest to, że czarna dziura jest bardzo małym obiektem. Jest bardzo masywna, ale bardzo mała. Czarna dziura w środku naszej galaktyki jest tylko trochę większa od Słońca, choć jest 4 miliony razy bardziej od niego masywna.

Dla porównania,

Materia nie „spada” na powierzchnię czarnej dziury ze wszystkich stron. Ona tworzy dysk (dysk akrecyjny) i to w nim dochodzi do tego ekstremalnego przyspieszenia materii. Dlaczego ten dysk materii – na zdjęciu – jest miejscami jaśniejszy? Nie dlatego, że jest w nim więcej materii. To efekt podobny do efektu Dopplera. Inaczej – z naszego punktu widzenia – świeci materia, która porusza się w naszym kierunku, a inaczej ta, która porusza się jak gdyby od nas uciekając. Tak samo jak inny dźwięk słyszymy, gdy pociąg czy karetka pogotowia zbliża się do nas, a inny, gdy oddala. Jaśniejszy obszar to materia, która wirując porusza się w stronę obserwatora (czyli nas), a ten ciemniejszy to materia, która porusza się w stronę przeciwną.

Zdjęcie główne: www.nasa.gov