Dodano: 12 maj 2022r.

Naukowcy pokazali pierwszy w historii obraz czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej

Naukowcy skupieni wokół projektu Event Horizon Telescope zaprezentowali pierwszy obraz znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej supermasywnej czarnej dziury Sagittarius A*. Ten sam zespół był odpowiedzialny za stworzenie pierwszego w historii obrazu czarnej dziury w 2019 roku. Jednak stworzenie obrazu Sgr A* okazało się trudniejszym zadaniem.

Naukowcy pokazali pierwszy w historii obraz czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej

 

Astronomowie ujawnili pierwszy obraz supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki - Drogi Mlecznej. Prace te dostarczają cennych wskazówek na temat funkcjonowania takich obiektów, które, jak się uważa, znajdują się w centrach większości galaktyk. Obraz został wykonany przez rozsiany po całym świecie zespół skupiony wokół projektu Event Horizon Telescope Collaboration.

Czarne dziury

Czarne dziury nie emitują i nie odbijają światła, dlatego bardzo trudno je wykryć. 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.

Wokół czarnej dziury z gigantycznymi prędkościami krąży rozpalona do olbrzymich temperatur materia. Ten dysk akrecyjny pyłu i gazu 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.

Wszystko, co znajdzie się zbyt blisko czarnej dziury, jest wciągane poza horyzont zdarzeń, ale część z pyłów i gazów w dysku akrecyjnym orbitującym z relatywistycznymi prędkościami, może w miarę bezpiecznie krążyć wokół czarnej dziury.

Teleskop Horyzontu Zdarzeń

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 z dokładnym czasem obserwacji, co ułatwia ich późniejszą analizę. Następnie zapisy pochodzące z poszczególnych radioteleskopów używane są do stworzenia obrazu. W projekcie uczestniczy ponad 300 naukowców z ponad 80 instytucji z całego świata, w tym także z Polski.

Event Horizon Telescope jest niezwykle czułym instrumentem. Dzięki niemu w kwietniu 2019 roku udało się stworzyć obraz czarnej dziury w centrum galaktyki M87,  znajdującej się około 53 miliony lat świetlnych od nas. Był to pierwszy w historii obraz czarnej dziury oraz pierwszy bezpośredni wizualny dowód na istnienie tych obiektów.

W trakcie kampanii obserwacyjnej, dzięki której udało się zobrazować czarną dziurę w M87, naukowcy spoglądali także na podobny obiekt w centrum naszej galaktyki, czyli Drogi Mlecznej. Znajduje się tam supermasywna czarna dziura Sagittarius A*(w skrócie Sgr A*). Właściwie, gdy w 2019 roku zapowiadano publikację pierwszego w historii zdjęcia czarnej dziury, wszyscy spodziewali się zobaczyć właśnie Sgr A*.

Jednak obserwacje centrum własnej galaktyki, które oddalone jest od nas o około 25 tys. lat świetlnych, okazały się trudniejsze niż obserwacje centrum galaktyki M87, która leży około 53 miliony lat świetlnych od nas. To dlatego, że nasza lokalizacja znajduje się na obrzeżach dysku galaktyki, która składa się z setek miliardów gwiazd i ogromnych ilości kosmicznego gazu i pyłu. Obserwując z naszego miejsca centrum Drogi Mlecznej, najpierw zobaczymy całe szeregi gwiazd oraz mnóstwo gazu i pyłu. Te przeszkody utrudniają dokładne obserwacje centrum.

Oblicze Sgr A*

Zaprezentowany obraz jest długo oczekiwanym spojrzeniem na masywny obiekt, który znajduje się w samym centrum naszej galaktyki. Naukowcy wcześniej widzieli gwiazdy krążące wokół zwartego i bardzo masywnego obiektu w centrum Drogi Mlecznej, którego nie dało się dostrzec. To oczywiście sugerowało, że obiekt ten jest czarną dziurą. Zademonstrowane na konferencji prasowej zdjęcie jest tego pierwszym bezpośrednim, wizualnym dowodem.

Chociaż nie możemy zobaczyć samej czarnej dziury, krążąca wokół niej materia rozgrzana do wysokich temperatur oświetla nieco ten obszar, co pozwoliło ujawnić charakterystyczną sygnaturę: ciemny obszar centralny (cień) otoczony jasną strukturą przypominającą pierścień. Nowy widok uchwycił światło zakrzywione przez potężną grawitację czarnej dziury, która jest cztery miliony razy masywniejsza niż nasze Słońce.

- Byliśmy zdumieni tym, jak dobrze rozmiar pierścienia zgadzał się z przewidywaniami ogólnej teorii względności Alberta Einsteina – powiedział Geoffrey Bower z Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica, Taipei – zaangażowany także w projekt EHT. - Te bezprecedensowe obserwacje znacznie poprawiły nasze zrozumienie tego, co dzieje się w samym centrum naszej galaktyki. Zaoferowały też nowy wgląd w to, jak te gigantyczne obiekty oddziałują z otoczeniem - dodał.

EHT obserwował Sgr A* przez wiele nocy, zbierając dane przez wiele godzin z rzędu, podobnie jak przy użyciu długiego czasu naświetlania w aparacie fotograficznym. Przełom nastąpił po opublikowaniu w 2019 r. pierwszego obrazu czarnej dziury w centrum galaktyki M87. Dwie czarne dziury wyglądają niezwykle podobnie, mimo że czarna dziura naszej galaktyki jest ponad tysiąc razy mniejsza i mniej masywna niż M87*.

- Mamy dwa zupełnie różne typy galaktyk i dwie bardzo różne masy czarnych dziur, ale blisko krawędzi tych czarnych dziur wyglądają one niesamowicie podobnie – powiedziała Sera Markoff, współprzewodnicząca Rady Naukowej EHT i profesor astrofizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Amsterdamie. - To mówi nam, że ogólna teoria względności rządzi tymi obiektami, a wszelkie różnice, które widzimy, muszą wynikać z różnic w materiale otaczającym czarne dziury – dodała.

Centrum Drogi Mlecznej trudne do obrazowania

Stworzenie obrazu czarnej dziury w centrum naszej galaktyki było znacznie trudniejsze niż obrazowanie M87*, mimo że Sgr A* jest nam znacznie bliższa. - Gaz w pobliżu czarnych dziur porusza się z tą samą prędkością — prawie tak szybko jak światło — zarówno wokół Sgr A*, jak i M87*. Ale tam, gdzie gazowi zajmuje kilka dni lub tygodni okrążenie większej M87*, znacznie mniejszą Sgr A* okrąża w zaledwie kilka minut. Oznacza to, że jasność i wzór gazu wokół Sgr A* zmieniały się gwałtownie podczas obserwacji – powiedział Chi-kwan Chan z Steward Observatory and Department of Astronomy oraz Data Science Institute Uniwersytetu Arizona w USA.

Naukowcy musieli opracować zaawansowane, nowe narzędzia, które uwzględniały ruch gazu wokół Sgr A*. Podczas gdy M87* była łatwiejszym i stabilniejszym celem, z prawie wszystkimi obrazami wyglądającymi tak samo, w przypadku Sgr A* było inaczej. Obraz czarnej dziury Sgr A* jest średnią z różnych obrazów, które zespół wydobył z danych, ujawniając po raz pierwszy olbrzyma czającego się w centrum naszej galaktyki.

 

Źródło: Event Horizon Telescope Collaboration