Czarna dziura przedstawiona na nowej wizualizacji NASA z niezwykłą szczegółowością

W kwietniu zespół naukowców skupiony wokół projektu Event Horizon Telescope zaprezentował pierwszy w historii obraz czarnej dziury, który przedstawiał supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki M87. Galaktyka M87, czyli Galaktyka Panna A, znajduje się około 53 miliony lat świetlnych od nas. Zobrazowany obiekt jest największym i najjaśniejszym obiektem w gwiazdozbiorze Panny.

Jak wiadomo, czarne dziury nie emitują i nie odbijają światła. Obiekty te są tak masywne, że po osiągnięciu pewnego punktu (horyzontu zdarzeń) prędkość ucieczki, czyli prędkość potrzebna do opuszczenia pola grawitacyjnego obiektu, przekracza prędkość światła w próżni i nawet światło nie jest w stanie opuścić tego obszaru. Jednak mimo to, naukowcy z projektu Event Horizon Telescope potrafili przedstawić nam, jak naprawdę wygląda czarna dziura, a właściwie jej cień.

Event Horizon Telescope to sieć radioteleskopów rozsianych po całym świecie, które pracują na falach milimetrowych i submilimetrowych. Razem tworzą teleskop o rozmiarach Ziemi. Dzięki wykorzystaniu techniki zwanej interferometrią wielkobazową, dane odbierane przez niezależne radioteleskopy zapisywane są razem, co ułatwia ich późniejszą analizę.

Technologie wciąż są udoskonalane, dlatego można oczekiwać, że pojawią się lepsze, bardziej szczegółowe obrazy czarnych dziur. Eksperci z NASA wybiegli nieco w przyszłość i przygotowali wizualizację, która pokazuje, czego możemy się spodziewać na zdjęciach czarnych dziur w wysokiej rozdzielczości.

Historyczny obraz czarnej dziury z centrum galaktyki M87

Supermasywne czarne dziury znajdują się w centrach większości dużych galaktyk, a to, jak się tam dostały, jest tajemnicą. Co było pierwsze, czarna dziura czy galaktyka? To jedno z wielkich pytań w kosmologii.

Wiemy, że czarne dziury są naprawdę ogromne. Mogą mieć masę miliardy razy większą od masy naszego Słońca. Mogą kontrolować formowanie się gwiazd, a kiedy się obudzą i zaczną pożerać otaczającą je materię, mogą stać się najjaśniejszymi obiektami we Wszechświecie.

Obraz stworzony przez Lumineta

Co ciekawe, pierwszy symulowany obraz czarnej dziury (powyżej), obliczony przy użyciu komputera IBM 7040 i przeniesiony na papier przez francuskiego astrofizyka Jeana-Pierre'a Lumineta w 1978 roku, przypomina historyczny obraz wykonany przez uczonych z projektu Event Horizon Telescope. Widać te same elementy – czarny okrąg w środku, czyli cień czarnej dziru, wyglądające na cienkie pierścienie fotonowe w środku, przesunięcie światła zgodnie z efektem Dopplera czy podwójny dysk akrecyjny powodowany ekstremalną grawitacją.

Nowa wizualizacja czarnej dziury pokazuje to wszystko w znacznie lepszej rozdzielczości. Takie symulacje mogą pomóc nam zrozumieć ekstremalną fizykę wokół supermasywnych czarnych dziur. Pomagają też zrozumieć, co właściwie widzimy, gdy patrzymy na historyczny obraz czarnej dziury w centrum galaktyki M87.

Wizualizacja pokazuje, jak grawitacja masywnego potwora zniekształca widok, wypaczając otoczenie, jakby było oglądane w gabinecie luster w lunaparku. Wizualizacja symuluje czarną dziurę wraz z opadającą na nią materią, która zgromadziła się w otaczającą obiekt gorącą strukturę zwaną dyskiem akrecyjnym.

Obraz w większej rozdzielczość dostępny na stronach NASA.

Materia gazów i pyłów w dysku akrecyjnym krąży wokół czarnej dziury z prędkościami bliskimi prędkości światła. Rozgrzana jest do olbrzymich temperatur, dlatego jest doskonale widoczna. Krąży niezwykle blisko horyzontu zdarzeń – strefy otaczającej czarną dziurę oddzielającą obserwatora od zdarzeń, o których nigdy nie będzie miał żadnych informacji. To granica, po której przekroczeniu nie ma powrotu.

Największą prędkość ma materia znajdująca się najbliżej horyzontu zdarzeń. Materia w zewnętrznych rejonach dysku akrecyjnego ma nieco mniejsze prędkości. Ta różnica powoduje jaśniejsze i ciemniejsze pasy w dysku widziane na wizualizacji.

Dysk akrecyjny wygląda jaśniej po lewej stronie. Jest to spowodowane przez efekt Dopplera wywołany obrotem dysku akrecyjnego i samej czarnej dziury. Dysk na wizualizacji, także na obrazie Lumineta, obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, co oznacza, że światło zbliża się do nas od lewej strony. Ruch ten powoduje zmianę częstotliwości w długości fali światła, sprawiając, że lewa strona wygląda jaśniej.

Pierścień fotonów, czyli idealny, najbardziej wewnętrzny pierścień światła, jest efektem działania ekstremalnych sił grawitacyjnych. To światło faktycznie pochodzi z części dysku akrecyjnego za czarną dziurą, ale grawitacja jest tak intensywna, nawet poza horyzontem zdarzeń, że wypacza czasoprzestrzeń i zagina ścieżkę światła wokół czarnej dziury. Wewnątrz pierścienia fotonowego znajduje się cień czarnej dziury, obszar około dwa razy większy od horyzontu zdarzeń.

Więcej obrazów i krótkich filmików przedstawiających nową wizualizację można znaleźć na stronach NASA Goddard Media Studios.

Źródło: NASA, fot. NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman