Naukowcy zarejestrowali chybotanie słynnej czarnej dziury w centrum M87. To pierwsze takie obserwacje

Bartłomiej Pawlak
Naukowcy pod kierownictwem polskiego astrofizyka Macieja Wielgusa przeanalizowali archiwalne dane tworząc obrazowe modele czarnej dziury M87* na przestrzeni lat. Udało im się zarejestrować burzliwe procesy zachodzące w najbliższym otoczeniu tego obiektu. To pierwszy raz, gdy obserwujemy zmieniający się dysk akrecyjny czarnej dziury.

10 kwietnia 2019 roku naukowcy zaprezentowali pierwsze w dziejach zdjęcie czarnej dziury. Choć przyjęło, się tak potocznie mówić, w istocie był to zrekonstruowany obraz najbliższego otoczenia czarnej dziury (samej czarnej dziury nie da się zobaczyć, bo pochłania ona nawet światło), czyli rozgrzanej do ogromnych temperatur materii tworzącej dysk akrecyjny.

Zobacz wideo Oto pierwsze w historii "zdjęcie" czarnej dziury

Naukowcy za cel wzięli sobie wtedy potężny obiekt należący do klasy supermasywnych czarnych dziur, który znajduje się w pobliżu centrum ogromnej galaktyki eliptycznej M87 znajdującej się 53,5 mln lat świetnych od Ziemi. Sama czarna dziura jest też jedną z najpotężniejszych dotąd odkrytych - ma masę 6,5 mld razy większą od Słońca.

Nowe-stare obserwacje teleskopu EHT

To, co widzimy na powyższym zdjęciu to zatem gorąca plazma wirująca wokół czarnej dziury, która wkrótce może przekroczy horyzont zdarzeń (to przestrzeń, za którą oddziaływania grawitacyjne są już tak silne, że wydostanie się z czarnej dziury jest fizycznie niemożliwe) i wpaść do jej wnętrza. Materia ta jest znacznie jaśniejsza po jednej ze stron, dlatego cały obraz przypomina nieco półksiężyc.

Teleskopy uczestniczące w obserwacjach M87 na przestrzeni latTeleskopy uczestniczące w obserwacjach M87 na przestrzeni lat fot. M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration

Pierwszy w historii rzeczywisty obraz czarnej dziury M87* został uzyskany w kwietniu 2017 roku (tak, dwa lata przed publikacją) dzięki międzynarodowemu programowi badawczemu funkcjonującego pod nazwą Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope – EHT).

To połączone ze sobą obserwatoria (jest ich obecnie 13) rozrzucone po kuli ziemskiej, które razem mają zdolność rozdzielczą porównywalną do uzyskanej w hipotetycznym teleskopie wielkości całej planety (taka dokładność pozwoliłyby na obserwacje pomarańczy leżącej... na Księżycu). EHT funkcjonuje jednak od 2009 roku (z czasem dołączały do programu kolejne teleskopy) i naukowcy już wtedy zainteresowali się czarną dziurą w M87.

Dysk akrecyjny czarnej dziury zmieniał się w czasie

Międzynarodowy zespół badaczy pod kierownictwem polskiego astrofizyka Macieja Wielgusa wykorzystał teraz dane uzyskane na przestrzeni lat 2009-2017 z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń, aby uzyskać modele wyglądu czarnej dziury i jej otoczenia. Naukowcy podkreślają, że dopiero w 2017 roku informacje z EHT pozwoliły na rekonstrukcję fotografii otoczenia czarnej dziury, ale już wcześniejsze modele dają pewien pogląd na to, jak zmieniał się jej dysk akrecyjny.

Wygląd czarnej dziury w M87 w latach 2009-2017Wygląd czarnej dziury w M87 w latach 2009-2017 fot. M. Wielgus & the EHT Collaboration

I okazuje się, że w otoczeniu czarnej dziury działo się bardzo dużo. Z wyliczeń badaczy wynika, że rozmiar "cienia" czarnej dziury na przestrzeni lat jest porównywalny i dla każdego okresu zgodny z przewidywaniami ogólnej teorii względności Alberta Einsteina dla obiektów o takiej masie. Jasny pierścień materii, który otacza horyzont zdarzeń - choć na każdym z modeli jest asymetryczny - zmieniał swoje położenie w czasie.

W zeszłym roku widzieliśmy obraz cienia czarnej dziury, składający się z jasnego półksiężyca utworzonego przez gorącą plazmę wirującą wokół M87* i ciemnej części centralnej, w której spodziewamy się horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Te badania opierały się jednak jedynie na obserwacjach przeprowadzonych w ramach trwającego tydzień okienka w kwietniu 2017 r., które było zdecydowanie zbyt krótkie, aby zobaczyć wiele zmian. Na podstawie zeszłorocznych wyników zadaliśmy następujące pytania: czy ten przypominający półksiężyc obraz jest zgodny z danymi archiwalnymi? Czy dane te wskazywałyby na podobny rozmiar i orientację tego półksiężyca? (...) A ponieważ przepływ materii [wokół czarnej dziury - przyp. red.] jest burzliwy, półksiężyc wydaje chybotać się z biegiem czasu

- tłumaczy Maciej Wielgus cytowany na stronie Teleskopu Horyzontu Zdarzeń.

 

Badanie dało astronomom bezprecedensowe dane na temat tego, jak zmienia się wygląd czarnych dziur w czasie. Choć badacze od lat zdają sobie sprawę z tego, że materia obiegająca czarną dziurę wiruje z gigantyczną prędkością zmieniając swoje położenie, dopiero te obserwacje pozwoliły pokazać ten proces w sposób bardziej empiryczny.

Obrazy czarnej dziury w M87 uzyskane za pomocą EHT w latach 2009-2017Obrazy czarnej dziury w M87 uzyskane za pomocą EHT w latach 2009-2017 fot. M. Wielgus, D. Pesce & the EHT Collaboration

Naukowcy podkreślają też ogromną rolę, jaką pełni Teleskop Horyzontu Zdarzeń w badaniach dynamiki czarnych dziur. Gdy projekt startował (w 2009 roku), nikt nawet nie przypuszczał, że EHT pozwoli na uzyskanie pierwszego obrazu otoczenia jednego z tych najbardziej fascynujących obiektów we Wszechświecie. Teraz okazało się, że pozwala on pokazać, jak czarne dziury zmieniają się z biegiem czasu.

W przyszłości badacze chcą skupić się na dalszych badaniach M87*, ale również Sagittariusa A* - czarnej dziury znajdującej się w centrum Drogi Mlecznej o masie 4,3 mln razy większej od Słońca. Obserwacje mają rozpocząć się w 2021 roku, gdy część (wyłączonych na czas pandemii) teleskopów zostanie ponownie uruchomionych.

Badanie zostało opublikowane w środę w "The Astrophysical Journal".