Słynna czarna dziura z obrazu EHT na kolejnych zdjęciach. Tak niezwykłych badań jeszcze nie było

Bartłomiej Pawlak
Czarna dziura, znajdująca się w centrum galaktyki M87, została pokazana światu w 2019 roku na pierwszym w historii obrazie obiektu tego typu. Teraz 760 naukowców z całego świata połączyło siły, aby wykonać nowe, historyczne badania czarnej dziury, korzystając z aż 19 obserwatoriów w tym samym czasie. A to niejedyne nowe informacje na temat tego intrygującego obiektu.
Zobacz wideo To zdjęcie może zweryfikować teorię względności

W kwietniu 2019 roku naukowcy, korzystając z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope - EHT), po raz pierwszy w historii zarejestrowali obraz czarnej dziury. To supermasywna czarna dziura o masie aż 6,5 mld mas Słońca, jeden z największych obiektów tego typu, jakie znamy we Wszechświecie (dla porównania Sgr A* w centrum Drogi Mlecznej ma masę 4,3 mln mas naszej gwiazdy).

Obiekt znajduje się w centrum gigantycznej galaktyki eliptycznej Panna A (lub M87) oddalonej od nas o 55 mln lat świetnych i jest niezwykle aktywny. Nic zatem dziwnego, że bardzo interesuje badaczy.

Tak może wyglądać otoczenie czarnej dziury w centrum M87 - wizja artystyTak może wyglądać otoczenie czarnej dziury w centrum M87 - wizja artysty fot. ESO/M. Kornmesser

To najdokładniejsze badania czarnej dziury w M87 w historii

Naukowcy nie spoczęli więc na laurach, ale poszli za ciosem i kontynuowali zbieranie danych na temat tego potwora. Teraz wyniki analiz przeprowadzonych przez całą grupę teleskopów zebrała i opublikowała w jednym filmie NASA. To obrazy pochodzące z aż 19 obserwatoriów znajdujących się zarówno na Ziemi, jak i w przestrzeni kosmicznej.

Co bardzo istotne, obejmują one obrazy i fotografie uzyskane w całym spektrum promieniowania elektromagnetycznego - od światła widzianego po promieniowanie gamma. Dzięki temu możliwe jest zebranie możliwie największej ilości danych na temat aktualnego stanu najbliższego otoczenia czarnej dziury. Obserwacje trwały od marca do kwietnia 2017 roku, jednak długotrwała analiza danych pozwoliła na ujawnienie wyników dopiero teraz.

Wiedzieliśmy, że pierwszy bezpośredni obraz czarnej dziury będzie przełomowy. Aby jednak jak najlepiej wykorzystać ten niezwykły obraz, musimy wiedzieć wszystko, czego tylko możemy się dowiedzieć o zachowaniu czarnej dziury w tamtym czasie, obserwując całe widmo elektromagnetyczne

- tłumaczy Kazuhiro Hada z National Astronomical Observatory of Japan, współautor nowego badania opublikowanego w "The Astrophysical Journal Letters".

 

Zadanie, które stało przed badaczami, było bardzo trudne, bo otoczenie aktywnych czarnych dziur zmienia się w dość dynamicznie. Konieczne było zatem przeprowadzenie obserwacji tego samego obiektu przez 19 teleskopów w tym samym czasie. Wśród użytych do przeprowadzenia obserwacji teleskopów znalazły się najlepsze instrumenty, takie jak m.in. Kosmiczny Teleskop Hubble'a czy obserwatorium rentgenowskie Chandra.

To w świecie nauki rzecz niespotykana, bo czas badawczy każdego z tych instrumentach jest dla naukowców niezwykle cenny (moglibyśmy powiedzieć, że są one "rozchwytywane" przez astronomów i astrofizyków z całego świata). Tym razem było to możliwe dzięki współpracy 760 naukowców i inżynierów z prawie 200 instytucji z 32 krajów.

Poniżej galaktyka M87 fotografii wykonanej przez teleskop VLT. Z jej centrum wychodzi długi na przynajmniej 5 tysięcy lat świetlnych dżet (strumień plazmowej materii wyrzucany z prędkością bliską prędkości światła), który generowany jest przez grawitację potężnej czarnej dziury:

Galaktyka Messier 87 w obiektywie Very Large Telescope - na zdjęciu widoczny jest dżet wychodzący z pobliża czarnej dziuryGalaktyka Messier 87 w obiektywie Very Large Telescope - na zdjęciu widoczny jest dżet wychodzący z pobliża czarnej dziury fot. ESO

Ten niesamowity zestaw [obserwatoriów - przyp. red.] zawiera wiele spośród najlepszych teleskopów świata. To wspaniały przykład współpracy naukowców z całego świata w imię nauki

- mówi Juan Carlos Algaba z Uniwersytetu Malaya w Kuala Lumpur cytowany przez NASA.

Naukowcy - jak sami tłumaczą - mieli też trochę szczęścia, bo w momencie obserwacji czarnej dziury, natężenie promieniowania elektromagnetycznego wytwarzanego przez zgromadzoną wokół materię było najniższe od początku prowadzenia badań. To stworzyło idealne warunki do obserwacji całego jej otoczenia - od obszarów bliskich horyzontowi zdarzeń (to umowna granica, po przekroczeniu której, materia nie może się już wydostać z czarnej dziury) po tysiące lat świetlnych od centrum M87.

Nowe, niezwykle szczegółowe badania czarnej dziury w M87Nowe, niezwykle szczegółowe badania czarnej dziury w M87 fot. The EHT Multi-wavelength Science Working Group; the EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); the EVN; the EAVN Collaboration; VLBA (NRAO); the GMVA; the Hubble Space Telescope; the Neil Gehrels Swift Observatory; the Chandra X-ray Observatory; the Nuclear Spectroscopic Telescope Array; the Fermi-LAT Collaboration; the H.E.S.S collaboration; the MAGIC collaboration; the VERITAS collaboration; NASA and ESA.

Jak tłumaczy amerykańska agencja, nowo opublikowane dane nie tylko dostarczają nam wiedzy na temat tej konkretnej czarnej dziury, ale są również swego rodzaju (kolejnym już zresztą) testem dla ogólnej teorii  Alberta Einsteina.

Być może dane te połączone z nowymi obserwacjami z równych teleskopów pozwolą też fizykom na zrozumienie pochodzenia tzw. "promieni kosmicznych", które bombardują Ziemię. To cząstki o energiach miliony razy większych niż badacze są w stanie wytworzyć w akceleratorach, które mogą pochodzić z pobliża czarnych dziur, takich jak ta w M87. Jak na razie na ten temat jest więcej pytań niż odpowiedzi.

Naukowcy opublikowali obraz pól magnetycznych obrzeża czarnej dziury

Pokazany przez NASA zestaw danych to niejedyne informacje, jakie opublikowano w ostatnim czasie na temat czarnej dziury w M87. Pod koniec marca br. naukowcy za projektem Teleskopu Horyzontu Zdarzeń pochwalili się stworzeniem pierwszego obrazu pól magnetycznych na obrzeżu czarnej dziury w M87.

Widok czarnej dziury w M87 w świetle spolaryzowanym - ESOWidok czarnej dziury w M87 w świetle spolaryzowanym - ESO fot. EHT Collaboration

To materiał stworzony z danych zebranych w 2017 roku przez EHT. Tych samych, które pozwoliły na stworzenie pierwszego obrazu czarnej dziury. W toku dalszych badań naukowcy odkryli bowiem, że znaczna część światła wokół czarnej dziury w M87 jest spolaryzowana, co pozwoliło m.in. na uzyskanie nowej "fotografii".

Wykorzystanie światła spolaryzowanego do badań nad czarną dziurą dało uczonym szansę na wykonanie map linii pola magnetycznego istniejącego na obrzeżach czarnej dziury (widoczne jako linie na powyższym obrazie). A to pozwala badaczom lepiej zrozumieć, jak czarna dziura oddziałuje z pobliską materią, jak opada ona na horyzont zdarzeń czarnej dziury oraz w jaki sposób powstają gigantyczne dżety wystrzeliwane daleko poza centrum galaktyki.

Trzy ujęcia centrum galaktyki M87 w świetle spolaryzowanymTrzy ujęcia centrum galaktyki M87 w świetle spolaryzowanym fot. EHT Collaboration; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Goddi et al.; VLBA (NRAO), Kravchenko et al.; J. C. Algaba, I. Marti-Vidal

Te badania to duży krok naprzód: polaryzacja światła niesie informacje, które pozwalają nam na lepsze zrozumienie fizyki stojącej za zdjęciem, które zobaczyliśmy w kwietniu 2019 roku, co nie było możliwe wcześniej. Uzyskanie tego nowego obrazu w świetle spolaryzowanym wymagało lat pracy z powodu złożoności technik wykorzystywanych w uzyskiwaniu i analizie danych

- tłumaczy Iván Martí-Vidal, który również koordynuje Polarymetryczną Grupą Roboczą EHT.

Nowo opublikowane spolaryzowane obrazy są kluczowe dla zrozumienia, jak pole magnetyczne pozwala czarnej dziurze ‘pożerać’ materię i wystrzeliwać potężne dżety

- dodaje Andrew Chael współautor badań prowadzonych przez EHT cytowany przez Europejskie Obserwatorium Południowe. 

Naukowcy mają nadzieję, że nowy zestaw danych pozwoli im lepiej zrozumieć zjawiska, które zachodzą w bezpośredniej bliskości czarnych dziur. A te - jednak z najbardziej intrygujących obiektów we Wszechświecie - wciąż kryją przed nami wiele tajemnic.