Witajcie, entuzjaści czarnych dziur – zagaił Sheperd Doeleman, dyrektor Teleskopu Horyzontu Zdarzeń- na konferencji, podczas której przedstawiono pierwszy prawdziwy obraz takiego obiektu. Na „zdjęciu” widać osobliwość w centrum galaktyki M87 – pomarańczowy obwarzanek otaczający ciemną plamę. Ta plama to czarna dziura. – Osiągnęliśmy coś, co jeszcze poprzednie pokolenie uznawało za niewyobrażalne – zachwycał się prof. Doeleman. – To, co widzimy, jest większe niż cały nasz Układ Słoneczny – mówił prof. Heino Falcke z Uniwersytetu im. Radbouda w Nijmegen, jeden z autorów sukcesu. – Ma masę 6,5 miliarda naszych Słońc i jest jedną z najmasywniejszych czarnych dziur, jakie znamy. To po prostu potwór, czempion wagi superciężkiej w naszym wszechświecie. Jasnopomarańczowy dysk otaczający ciemny obszar to rozżarzony gaz wpadający za horyzont zdarzeń, do czarnej dziury. To daje światło jaśniejsze niż światło miliardów gwiazd w tej galaktyce razem wziętych, dlatego łatwo je obserwować z Ziemi – mówi prof. Falcke.

Sukces? Bez wątpienia – to pierwszy bezpośredni obraz czarnej dziury, jaki udało się uzyskać. To również oczywisty dowód na to, że obiekty te naprawdę istnieją – i zachowują
się tak, jak przewidywali fizycy teoretyczni. Ale w tej sprawie, jak to zwykle z czarnymi dziurami bywa, nic nie jest proste: teleskop to w gruncie rzeczy sieć radioteleskopów, uzyskany obraz nie jest zdjęciem w dosłownym znaczeniu, a wygenerowanym obrazem, i wreszcie nie widać na nim czarnej dziury – bo te z definicji są niewidoczne. Nawet pomarańczowy kolor obwarzanka jest sztuczny.

SERCE CIEMNOŚCI

Czarna dziura to obszar czasoprzestrzeni, którego masa, a co a tym idzie grawitacja, jest tak ogromna, że nic nie może go opuścić. W tę pułapkę wpada nawet światło – stąd nazwa. Czarną dziurę otacza horyzont zdarzeń – granica, za którą nie ma powrotu. Wszystko, co ją przekroczy, nieodwołalnie wpada do czarnej dziury. Jednak – według obowiązującego dziś modelu – gdy materia zbliża się do horyzontu zdarzeń, tworzy dysk akrecyjny otaczający czarną dziurę. Pędzące cząsteczki uderzają i ocierają się o siebie, ogrzewając dysk – który te energię wypromieniowuje. Im bliżej horyzontu, tym większa prędkość materii i większa energia promieniowania. Tuż przed przekroczeniem horyzontu zdarzeń materia promieniuje blaskiem jaśniejszym niż miliardy Słońc – otaczając „płonącym” wieńcem czarną dziurę. Część zjonizowanej materii dysku może nawet uciec sprzed horyzontu zdarzeń, tworząc ogromne strugi.

W całej Drodze Mlecznej mogą kryć się miliardy mniejszych czarnych dziur.

Te największe, nazywane supermasywnymi, znajdują się w sercach prawie wszystkich galaktyk. Połykają kolejne gwiazdy, wciągają pył i gaz, stając się jeszcze cięższe i bardziej żarłoczne. Nikt nie wie, dlaczego akurat te tak urosły. Co więcej, nikt dotąd żadnej nie widział. Nie zrobił jej zdjęcia żaden teleskop ani nie zbadała jej żadna sonda. Wiemy tylko (czy raczej domyślamy się), że czarne dziury istnieją, bo odkryliśmy ich obecność pośrednio: obserwując rozrywane gwiazdy, wyrzucane strugi materii, zakłócenia orbit odległych obiektów, a nawet zmarszczki czasoprzestrzeni wywołane zderzeniem dwóch czarnych dziur – to były zresztą pierwsze w historii zaobserwowane fale grawitacyjne.

W CIENIU ODKRYCIA KATIE BOUMAN, PROGRAMISTKA KTO TO WSZYSTKO OBLICZYŁ

Jestem taka szczęśliwa, że mogę wreszcie pokazać to, nad czym pracowaliśmy przez ostatni rok – napisała na Facebooku Katie Bouman, 29-letnia specjalistka od przetwarzania danych 

Jeszcze kilka tygodni temu nikt o niej nie słyszał. Dziś jest najjaśniejszą gwiazdą wśród naukowców zajmujących się badaniem odległego kosmosu. To ona stworzyła algorytm umożliwiający analizę danych zebranych przez sieć teleskopów oraz rekonstrukcję obrazu czarnej dziury. – Z niedowierzaniem patrzyłam na tworzący się przed moimi oczami
pierwszy obraz czarnej dziury – napisała Bouman na Facebooku.

Trochę w tym kokieterii, bo młoda programistka doskonale wiedziała, nad czym pracuje. – Obrazy czarnych dziur, które widzieliście na przykład w filmie „Interstellar”, to
tylko fantazje grafików komputerowych. Oparte na solidnych podstawach, ale ciągle tylko fantazje. Nikt dotąd nie sfotografował czarnej dziury. Ale za kilka lat nam się to uda – mówiła Katie Bouman podczas konferencji TEDx w grudniu 2016 roku.

Katie Bouman o projekcie EHT dowiedziała się jeszcze w szkole średniej West Lafayette Junior-Senior High School w Indianie w 2007 roku. Dziesięć lat później zrobiła doktorat na słynnej Massachusetts Institute of Technology (MIT), ale wcale nie z fizyki czy astronomii, lecz inżynierii elektrycznej i technologii komputerowej. Od jesieni będzie prowadzić prace w innej słynnej uczelni technicznej California Institute of Technology (Caltech) – już ze statusem gwiazdy, specjalistki od czarnych dziur. – Tego nie dokonał jeden człowiek czy jeden program. To efekt wielkiego talentu naukowców z całego świata i długich lat pracy nad opracowaniem odpowiednich instrumentów, metod przetwarzania danych i ich analizy. To był zaszczyt i wielkie szczęście móc pracować z wami – napisała na Facebooku Bouman.

 

Ale jak sfotografować coś, czego nie da się zobaczyć? Zespół naukowców Teleskopu Horyzontu Zdarzeń wziął na cel dwie supermasywne czarne dziury. Jedna znajduje się w centrum naszej Galaktyki – to obiekt nazywany Sagittarius A*. Druga to czarna dziura w okolicach centrum Galaktyki Panny A, znanej również jako Messier 87, a w skrócie M87. Ta „nasza” czarna dziura ma masę 4,1 mln Słońc i średnicę ok. 60 mln kilometrów
 

Jest ogromna. Jednak prawdziwym potworem jest dziura w centrum M87: szacuje się  obecnie, że jej masa to 6,5 miliarda mas Słońc, a jej średnica to ok. 40 mld km. Znajduje się ok. 55 mln lat świetlnych od nas. Co zaskakujące, oglądanie tak odległego obiektu znajdującego się w innej galaktyce było łatwiejsze niż przyglądanie się „naszej” dziurze. Dlaczego? Z powodu dużej zmienności światła i mniejszych rozmiarów Sagittariusa A*.

TELESKOP WIELKOŚCI PLANETY

Choć rozmiary czarnej dziury w M87 są monstrualne, do wykonania jej „zdjęcia” nie wystarczyłby nawet najpotężniejszy radioteleskop na Ziemi. Naukowcy potrzebowali
większego radioteleskopu. Najlepiej wielkości Ziemi. Na pomysł, jak to zrobić, wpadł prof. Heino Falcke. Chciał „sfotografować” czarną dziurę od ponad ćwierć wieku. Zaproponował odpowiedni eksperyment jeszcze w 1993 roku podczas studiów doktoranckich. Wtedy jednak technologiczne wyzwania związane z obserwacją tak odległych obiektów, w dodatku niewidocznych, sprawiły, że pomysł zarzucono. Ale prof. Falcke nie rezygnował.

Przez dwie dekady przekonywał decydentów i potencjalnych sponsorów o słuszności swojej idei. Wreszcie udało mu się namówić Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) do wysupłania funduszy – ok. 14 mln euro. Projekt wsparła też amerykańska National Science Foundation oraz naukowe agencje z Azji. W sumie pierwszy prawdziwy obraz czarnej dziury kosztował ok. 45 mln euro. Wspólnie z prof. Sheperdem Doelemanem z Harvard-Smithsonian Centre for Astrophysics opracował plan połączenia ośmiu radioteleskopów, które miały wspólnie zbierać dane. Obserwacje prowadzone były na falach milimetrowych i submilimetrowych dzięki technice tzw. interferometrii wielkobazowej. Radioteleskopy zbierają dane niezależnie od siebie i zapisują je z niezwykle dokładnym (potrzebne są do tego zegary atomowe) czasem obserwacji. Następnie wyniki są analizowane i składane w całość – rozdzielczość takich obserwacji jest tym lepsza, im bardziej oddalone są od siebie radioteleskopy.

Tak powstał Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope, EHT). Na tę sieć składały się chilijskie Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) i Atacama Pathfinder Experiment, SubMillimeter Array (SMA) oraz James Clerk Maxwell Telescope na Hawajach, South Pole Telescope na Antarktydzie, Submillimeter Telescope (SMT) w Arizonie, Large Millimeter Telescope w Meksyku i wreszcie hiszpański radioteleskop Institut de Radioastronomie Millimetrique (IRAM). W kwietniu 2017 roku osiem radioteleskopów wycelowało w centrum M87. Nasłuch trwał 10 dni. Oczekiwanie na wyniki – prawie dwa lata.

EINSTEIN ZNOWU MA RACJĘ

– Uzyskany obraz odpowiada temu, co wyobrażali sobie fizycy teoretyczni – i specjaliści z Hollywood – mówi dr Ziri Younsi z University College London, który brał udział
w badaniach EHT. Obraz pokazuje bowiem czarną dziurę o parametrach zgodnych z przewidywaniami Ogólnej Teorii Względności – teorii grawitacji sformułowanej przez Alberta Einsteina i opublikowanej w 1916 roku. – To niesłychane, ale wygląda na to, że Einstein znowu ma rację – mówi dr Younsi.

Czego zatem się dowiedzieliśmy? Wiemy teraz, że nie jest to tunel czasoprzestrzenny, jak postulowali niektórzy śmielsi fizycy. Wiemy, że horyzont zdarzeń rzeczywiście istnieje
i że nie stanowi twardej powierzchni, o którą rozbijałaby się materia – jak wyobrażali to sobie fizycy chcący zmodyfikować Ogólną Teorię Względności. Nauczyliśmy się również lepiej szacować masy czarnych dziur. Przed obserwacjami EHT czarna dziura w M87 oceniana była na między 3,5 mld i 6,6 mld mas Słońc. Różnice brały się ze sposobu oceniania masy – jeden bazował na obserwacji orbit gwiazd, drugi na zachowaniu gazu wirującego wokół osobliwości. Dane z radioteleskopów wskazują na masę 6,5 mld razy większą niż Słońce – co oznacza, że pierwsza metoda jest dokładniejsza.

 

Obserwacje wskazują również, że ta czarna dziura się obraca, a oś jej obrotu odchylona jest o 17 stopnia w stosunku do kierunku, w jakim na nią patrzymy. Wiemy też, że jest
otoczona dyskiem materii i to ona jest źródłem rejestrowanego przez radioteleskopy promieniowania. Tu potrzebna jest jednak jedna uwaga. – Kolory widoczne na obrazie nie
są prawdziwymi odcieniami gazu, to barwy przypisane przez naukowców różnym poziomom energii – tłumaczy w portalu LiveScience prof. Derek Fox z Wydziału Astronomii
Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii. – Żółty to najmocniejsza emisja, czerwony to trochę słabsza, a czarny oznacza brak jakiejkolwiek radiacji – wyjaśnia prof. Fox. – Gdybyśmy chcieli mówić o świetle widzialnym, pierścień zapewne byłby biały, być może z odcieniami czerwieni lub błękitu.

Kilka dni obserwacji dowiodło również, że czarne dziury są obiektami dynamicznymi. Ich otoczenie zmienia się w stosunkowo krótkim czasie – nawet w przypadku takich potworów jak obiekt w M87 zajmuje to mniej niż jeden dzień. W przypadku mniejszych czarnych dziur, jak np. Sagittarius A*, zmiany będą zachodziły w czasie liczonym w minutach. Wkrótce dowiemy się również, czy czarne dziury mają pole magnetyczne – dane są, trzeba je tylko przeanalizować. W przyszłości, po udoskonaleniu sieci radioteleskopów i zwiększeniu jej rozdzielczości, możliwe będzie podglądanie horyzontów zdarzeń mniejszych czarnych dziur. Być może EHT wykryje ich setki czy nawet tysiące. Na odpowiedź czekają jednak najciekawsze pytania dotyczące czarnych dziur. Co dzieje się za horyzontem zdarzeń? Czy uda się potwierdzić doświadczalnie istnienie tzw. promieniowania Hawkinga – zjawiska parowania czarnych dziur? Jaki los czeka materię i informację, którą ta materia niesie, gdy już spadnie na powierzchnię czarnej dziury? – To w sumie dość nieskomplikowaneobiekty – mówi dr Ziri Younsi. – Zmuszają nas jednak do stawiania zasadniczych pytań o naturę przestrzeni i czasu, a w końcu i naszego istnienia.

Piotr Kościelniak – dziennikarz specjalizujący się w nauce, medycynie i nowych technologiach.