Astronomowie "zrobili zdjęcie" czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej

Naukowcy zaprezentowali pierwszy obraz supermasywnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. O odkryciu poinformowały Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) oraz uczestnicy projektu o nazwie Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT). Udział w okryciu mają też Polacy.

Czarna dziura to obszar, w którym siła grawitacja jest tak potężna, że nie pozwala uciec żadnej materii, a nawet światłu. Do jej wytworzenia potrzeba zgromadzenia bardzo dużej masy w małej objętości. Matematyczna granica tego obszaru zwana jest horyzontem zdarzeń. Istnieją dwa główne rodzaje czarnych dziur: o masach gwiazdowych oraz supermasywne czarne dziury o masach milionów, a nawet miliardów mas Słońca.

O tym, że w centrum naszej galaktyki znajduje się supermasywna czarna dziura, naukowcy podejrzewali od dość dawna. Najsilniejszym dowodem na to były do tej pory obserwacje ruchu gwiazd w pobliżu centrum (Sagittarius A*, w skrócie Sgr A*), wskazujące na obecność w tym miejscu masy cztery miliony razy większej niż masa Słońca.

Zaprezentowane w czwartek zdjęcie jest pierwszym bezpośrednim potwierdzeniem (wizualnym) istnienia tej czarnej dziury w centrum Drogi Mlecznej. Widać na nim cień czarnej dziury i jasny pierścień tuż obok horyzontu zdarzeń czarnej dziury. Rozmiar cienia czarnej dziury ma około 52 mikrosekundy łuku na niebie.

Obraz czarnej dziury uzyskano w wyniku analizy danych z obserwatoriów radiowych, współpracujących w ramach projektu o nazwie Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT). Efekty swoich prac naukowcy przedstawili w czwartek, na zorganizowanych równocześnie w kilku miejscach na świecie konferencjach prasowych.

„Jesteśmy oszołomieni tym, jak dobrze rozmiar pierścienia zgadza się z przewidywaniami ogólnej teorii względności Einsteina. Te bezprecedensowe obserwacje znacznie poprawiły zrozumienie tego, co dzieje się w samym centrum naszej galaktyki i dają nowy wgląd w interakcje olbrzymiej czarnej dziury z otoczeniem” - wskazał Geoffrey Bower z Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica w Tajpej (Tajwan), pracujący w zespole projektu EHT.

Pokazane zdjęcie nie jest pierwszym w historii obrazem czarnej dziury. W 2019 roku ogłoszono wyniki obserwacji cienia czarnej dziury z galaktyki Messier 87 (obiekt M87*). W obu przypadkach mamy do czynienia z supermasywnymi czarnymi dziurami, ale występują pomiędzy nimi różnice: M87* jest około 1600 razy masywniejsza od Sgr A*.

W przypadku czarnych dziur masa jest wprost proporcjonalna do promienia, zatem M87* jednocześnie jest też 1600 razy większa. Jednak ze względu na różnicę odległości, obie mają dla nas podobny rozmiar kątowy na niebie. Czarna dziura M87* leży w odległości 55 milionów lat świetlnych, a od Sgr A* dzieli nas 27 tysięcy lat świetlnych.

Naukowcy wskazują, że pomimo tych różnic obiekty są bardzo podobne. Jak tłumaczy Sera Markoff z University of Amsterdam w Holandii, współprzewodnicząca Rady Naukowej EHT, mamy dwa zupełnie różne typy galaktyk i dwie zupełnie różne masy czarnych dziur - ale w pobliżu brzegów tych czarnych dziur wyglądają one niesamowicie podobnie, co mówi nam, że ogólna teoria względności rządzi tymi obiektami z bliska, a jakiekolwiek różnice, które widzimy dalej, muszą wynikać z różnic w materii, która otacza czarne dziury.

Obserwacje „naszej” czarnej dziury były dużo trudniejsze, niż tej w galaktyce M87, ze względu na dużo szybszą zmienność okolic czarnej dziury. W obu przypadkach gaz w pobliżu czarnej dziury porusza się z taką samą prędkością, bliską prędkości światła. Jednak okrążenie M87* zajmuje mu dni, a nawet tygodnie, natomiast obiegnięcie całej orbity wokół Sgr A* to dla gazu zaledwie minuty. Oznacza to, że jasność i struktury gazu wokół Sgr A* zmieniają się dużo gwałtowniej, co utrudnia uzyskanie stabilnego obrazu. Naukowcy musieli opracować metody uwzględniające ruchy gazu. To było powodem, iż kilka lat temu ogłoszono wyniki dla M87*, a dopiero teraz dla Sgr A*.

W pracach brał udział zespół złożony z ponad 300 naukowców z 80 instytutów z całego świata. Do obserwacji przeprowadzonych w kwietniu 2017 roku wykorzystano szereg radioteleskopów: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Atacama Pathfinder EXperiment (APEX), IRAM 30-meter Telescope, James Clerk Maxwell Telescope (JCMT), Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano (LMT), Submillimeter Array (SMA), UArizona Submillimeter Telescope (SMT), South Pole Telescope (SPT). Od tamtej pory do sieci EHT dodano także: Greenland Telescope (GLT), NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) oraz UArizona 12-meter Telescope na Kitt Peak.

Wyniki badań opublikowano w serii artykułów, które ukazały się w specjalnym wydaniu naukowego czasopisma „The Astrophysical Journal Letters”.

Europejskim wkładem w to ważne odkrycie, oprócz zespołów badawczych i teleskopów, był także superkomputer do łączenia danych EHT, utrzymywany w Max Planck Institute for Radio Astronomy w Niemczech, oraz granty finansowe Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych oraz Max Planck Society w Niemczech.

W zespole EHT jest dwoje Polaków: prof. Monika Mościbrodzka z Radboud University w Nijmegen (Holandia) oraz dr Maciek Wielgus z Max Planck Institute for Radioastronomy w Bonn (Niemcy). Prof. Mościbrodzka wniosła znaczny wkład w teorię związaną z publikacjami, a dr Wielgus - w przetwarzanie danych. Jest on pierwszym autorem jednej z publikacji, dotyczącej krzywych zmian blasku Sgr A*.

Dzięki temu, że naukowcy dysponują teraz obrazami dwóch supermasywnych czarnych dziur (jednej z górnego, a drugiej z dolnego krańca przedziału mas tego rodzaju obiektów), mogą badać różnice pomiędzy nimi i lepiej testować zachowanie grawitacji w tak ekstremalnych środowiskach.

Są też szanse na uzyskanie jeszcze lepszych danych, bowiem kampania obserwacyjna EHT prowadzona w marcu 2022 roku obejmowała więcej teleskopów niż wcześniej. (PAP)

Krzysztof Czart