Może i nikt nie zwróciłby uwagi na ognisty pierścień, który odkryli naukowcy, gdyby nie jeden przełomowy szczegół. Ten pierścień to jeden z najbardziej fascynujących obiektów w naszej galaktyce: supermasywna czarna dziura, wokół której kręci się cały nasz lokalny wszechświat.
Wszystko dzięki Teleskopowi Horyzontu Zdarzeń (EHT). Zebrane przez niego dane potwierdziły, że faktycznie w centrum naszej galaktyki znajduje się niezwykle zwarty, kompaktowy obiekt o masie ponad cztery miliony razy większej od masy Słońca. Dzięki grawitacji to właśnie wokół niego krąży kilkaset miliardów gwiazd, w tym także nasze Słońce wraz ze swoim układem planetarnym. Czy chcemy, czy nie jako mieszkańcy Ziemi okrążamy nie tylko odległe od nas o 150 mln km Słońce w ciągu 365 dni, ale także odległą od nas o 27 tys. lat świetlnych supermasywną czarną dziurę Sagittarius A* (Sgr A*). Jedno okrążenie wokół tego obiektu zajmuje nam ok. 230 milionów lat, nawet mimo że poruszamy się z zawrotną prędkością 828 000 km / godz.
Kilka lat temu naukowcy z tego samego zespołu opublikowali zdjęcie otoczenia supermasywnej czarnej dziury w galaktyce M87. Zrobienie tamtego zdjęcia było jednak prostsze od spojrzenia do środka naszej galaktyki. Ziemia, a tym samym wszystkie teleskopy należące do konsorcjum Teleskopu Horyzontu Zdarzeń znajdują się w dysku galaktyki, przez co nie możemy spojrzeć na środek naszej galaktyki "z zewnątrz". Spoglądając w kierunku centrum galaktyki, mamy między sobą a tymże centrum setki milionów gwiazd, bogactwo pyłu i gazu międzygwiezdnego wypełniającego cały dysk galaktyki.
Jednak wysiłek naukowców się opłacił. Zdjęcie stworzone na podstawie danych z radioteleskopów na całym świecie wyglądało dokładnie tak, jak naukowcy się tego spodziewali, bazując wcześniej na pracach teoretycznych. Można zatem powiedzieć, że Ogólna Teoria Względności opracowana przez Alberta Einsteina ponad sto lat temu po raz kolejny dobrze opisała obiekt, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy.
A co wreszcie zobaczyliśmy? Wyjaśnia to dr Maciej Wielgus, członek zespołu naukowców analizującego dane z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń.
Radek Kosarzycki: W końcu mamy pierwsze zdjęcie supermasywnej czarnej dziury o nazwie Sgr A* w centrum Drogi Mlecznej. Tylko do jego zrobienia wykorzystano radioteleskopy, a nie teleskop optyczny, więc siłą rzeczy to nie jest zdjęcie, lecz obraz.
Dr Maciej Wielgus: To od razu mamy kilka aspektów do wyjaśnienia. Po pierwsze, jak można sfotografować czarną dziurę, skoro jest to obiekt, z którego światło nigdy nie wyjdzie? Skoro zatem nie ma bezpośredniej interakcji między światłem a tym obiektem, to w jaki sposób możemy zrobić zdjęcie?
Odpowiedź brzmi: gdy robimy zdjęcie dziury w chodniku, to zrobimy zdjęcie otoczenia tej dziury w chodniku. Tutaj zrobimy to samo. Patrzymy, jak ta czarna dziura wpływa na otoczenie, na gaz, który spada na tę czarną dziurę, jak wygląda emisja w otoczeniu czarnej dziury i jak bardzo zakrzywione są trajektorie fotonów, które tworzą ten obraz.
O tym, że one są zakrzywione, wiemy, sprawdzając rozmiar tego obrazu. Przewidywania teorii względności mówią, że gdyby nie to zakrzywienie trajektorii fotonów, to ten obraz czarnej dziury byłby ok. 2,5 razy mniejszy. Dzięki temu, że wygląda tak jak na zdjęciu, wiemy, że te trajektorie faktycznie są ekstremalnie zakrzywione.
Czy to jest zdjęcie, jeżeli to jest tak naprawdę obliczeniowy obraz, który jest wynikiem przejścia danych przez poważne algorytmy wyciągające ten obraz z danych?
Fotografowie, z którymi rozmawiałem, mówią, że fotografia oznacza "malowanie światłem", a fale radiowe to też światło, więc jest to fotografia. Jednocześnie nie jest to fotografia, z jaką mamy do czynienia w przypadku klasycznego aparatu fotograficznego. Kwestia zatem jest otwarta.
Warto tutaj zwrócić uwagę na to, że Teleskop Horyzontu Zdarzeń obserwował czarną dziurę w centrum Drogi Mlecznej od 2008 roku. Jednak dane były bardzo niepełne, bowiem obserwowaliśmy ten obiekt z zaledwie trzech teleskopów na powierzchni Ziemi. Trzy teleskopy dawały nam za mało danych i nie byliśmy w stanie odtworzyć obrazu czarnej dziury, bo zbyt dużo z tego obrazu musielibyśmy "dorabiać" i nie byłby on prawdziwy, tylko w dużej mierze byłaby to jakaś wizja artystyczna. Teraz jednak obserwowaliśmy czarną dziurę Sgr A* za pomocą ośmiu obserwatoriów i tutaj już udało się ten obraz czarnej dziury stworzyć.
Dobrze, ale załóżmy, że zbliżamy się do takiej czarnej dziury fizycznie. Czy też zobaczylibyśmy taki sam obraz w zakresie optycznym, nie za pomocą radioteleskopu, ale za pomocą naszych oczu?
To jest jeszcze jeden aspekt całej historii. Nasze obrazy są wykonywane w falach milimetrowych. Fale milimetrowe to bardzo wysokie częstotliwości jak na fale radiowe, ale dużo niższe niż zakres optyczny. Z tego też powodu tutaj musieliśmy zrobić coś kreatywnego: przypisać jakiś kolor temu obrazowi. To samo wszak robi chociażby Kosmiczny Teleskop Hubble'a. On także obserwuje wszechświat tylko w całkowitej intensywności, tzn. wszystkie obrazy z Hubble'a byłyby szare. Takie obrazy są kolorowane następnie na podstawie dodatkowych informacji. Kolor jest jednak swego rodzaju wizją artystyczną, aczkolwiek bazuje on tutaj na konkretnej fizyce, to nie są jakieś dowolnie malowane obszary.
Podobnie byłoby w przypadku Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. Tu zdecydowaliśmy się na kolor ognisty, pomarańczowy, bo pasuje on po prostu do niesamowicie rozgrzanej ognistej materii, plazmy z dysku akrecyjnego otaczającego czarną dziurę. Z tego, co wiemy, ten cały gaz, który tworzy dysk i po jakimś czasie opada na czarną dziurę, ma temperaturę rzędu 10 miliardów kelwinów. Jest to zatem niezwykle gorąca plazma. Aż głupio byłoby pomalować taki obiekt na chłodny niebieski kolor.
Natomiast w świetle widzialnym, czyli tym rejestrowanym przez nasze oczy, niewiele byśmy widzieli. Te czarne dziury najwięcej promieniowania wydają właśnie w zakresie fal milimetrowych. W zakresie optycznym tego promieniowania jest znacznie mniej.
Czyli lecąc w kierunku czarnej dziury, nie wiedzielibyśmy, co nas czeka? Zbliżając się do niej, musielibyśmy widzieć nietypową plamę czerni pozbawioną gwiazd przed nami, prawda?
To jest w ogóle bardzo ciekawy efekt geometryczny. Wyobraźmy sobie, że zbliżamy się do jakiejś dużej kuli. Kiedy zbliżymy się do niej bardzo blisko, znajdziemy się na powierzchni tej kuli, to ona nam przesłania połowę naszego całego pola widzenia. Z przodu kula nam wszystko przesłania, a z tyłu nic. Analogicznie, gdybyśmy znaleźli się tuż nad horyzontem zdarzeń czarnej dziury, ten horyzont wypełnia nam więcej. Przez zakrzywienie trajektorii fotonów latających wokół czarnej dziury nie widzielibyśmy nic w żadną stronę. Z przodu czarno, z tyłu czarno. Jedyny punkt, w którym coś byśmy jeszcze widzieli, to ten znajdujący się w kierunku przeciwnym do kierunku, w którym znajduje się centrum czarnej dziury. To by był jeden jedyny jasny punkt.
Gdybyśmy natomiast znaleźli się w odległości 1,5 promienia Schwarschilda od centrum czarnej dziury, tam widzielibyśmy taką wspomnianą przez pana ścianę czerni roztaczającą się przed nami. Byłoby tam absolutnie ciemno, żadnych gwiazd, nic. Oczywiście mówimy hipotetycznie, bowiem w tej odległości od czarnej dziury najprawdopodobniej przeszkadzałaby nam temperatura otaczającego nas gazu rozgrzanego do miliardów kelwinów. Z pewnością raczej nie odnaleźlibyśmy się w tym otoczeniu zbyt dobrze. Warto pamiętać, że w tym miejscu trzeba się jeszcze zmierzyć z silnym promieniowaniem rentgenowskim, a nawet jeszcze bardziej energetycznym promieniowaniem, które byłoby w stanie nas szybko usmażyć, zanim byśmy się zbliżyli na taką odległość.
Zaraz, zaraz, bo to się tutaj cały czas przewija. Czym jest czarna dziura, a czym jest horyzont zdarzeń?
O czarnych dziurach wiemy na podstawie ogólnej teorii względności sformułowanej przez Alberta Einsteina. Z tego, co wiemy, wbrew temu, co się bardzo często mówi, czarna dziura to nie jest jakiś bardzo gęsty obiekt, gwiazda ani bardzo gęsta materia. Czarna dziura to próżnia. To tak zwane próżniowe rozwiązanie równań pola teorii względności.
To znaczy, że tak naprawdę tam nie ma nic. Całe to zakrzywienie czasoprzestrzeni pochodzi nie od bardzo gęstej materii po jej rozpadzie, a z samej energii pola grawitacyjnego. Wyobraźmy sobie, że jest sobie ta niesłychanie zagięta czasoprzestrzeń, którą zagina sama pozostałość, energia pola grawitacyjnego. Ale w środku nie ma nic, jest zupełnie pusto, tylko w samym centrum jest osobliwość.
A co to jest osobliwość? To jest właśnie to najtrudniejsze pytanie. Każdy fizyk chciałby wiedzieć, co to jest. Wiemy o niej tylko tyle, co nam powiedzą równania. One mówią nam, że wszystko działa, możemy policzyć sobie np. geometrię czasoprzestrzeni w każdym punkcie wewnątrz czarnej dziury.
Gdy jednak znajdziemy się w osobliwości, w równaniach zaczynamy dzielić przez zero. Krzywizna czasoprzestrzeni rośnie tam do nieskończoności, dzielimy przez ten promień, który w tym miejscu wynosi 0, no i teoria nam się w tym miejscu sypie. Do wyjaśnienia tego, co się tam dzieje, potrzeba osobnej teorii, być może będzie to kwantowa teoria pola, która połączyłaby ogólną teorię względności z mechaniką kwantową.
Jakby nie patrzeć, osobliwość nie ma rozmiarów. To jest punkt. Potrzeba tutaj zatem opisu kwantowego, ale wywołane tym punktem zakrzywienie czasoprzestrzeni trzeba wyjaśnić na podstawie ogólnej teorii względności. Problem w tym, że te dwie teorie w ogóle się ze sobą nie łączą. Jak komuś się uda je połączyć, przyćmi sławą wszystkich poprzednich odkrywców.
A co z horyzontem zdarzeń?
Co do horyzontu zdarzeń, jest to bardzo ciekawy wniosek z równań pola ogólnej teorii względności. Można powiedzieć, że horyzont zdarzeń to taka zastanawiająca powłoka ukrywająca osobliwość. Wokół osobliwości powstaje powłoka, sfera, która traci kontakt przyczynowo-skutkowy z zewnętrznym wszechświatem. Jest to sfera, którą możemy przekroczyć tylko w jedną stronę. Z wnętrza horyzontu zdarzeń nie da się już uciec.
W tym miejscu można mówić o podziale wszechświata na dwa niezależne, niezwiązane ze sobą rejony: wewnątrz i na zewnątrz horyzontu zdarzeń ze stałym zakazem komunikacji wnętrza ze światem zewnętrznym. To znaczy z zewnątrz można wysłać coś do środka, ale ze środka nie można już wysłać nic na zewnątrz. To oczywiście jest czysto matematyczna konsekwencja, ale wszystko wskazuje na to, że teoria względności przechodzi ten test. Obserwacje fal grawitacyjnych, obserwacje Teleskopu Horyzontu Zdarzeń pokazują, że to, co mówi nam matematyka, tj. jak powinien wyglądać taki horyzont zdarzeń, się sprawdza. One faktycznie tak wyglądają.
Można z tego wywnioskować, że rzeczywiście horyzonty zdarzeń istnieją, co przecież jest bardzo dziwną własnością wszechświata. Sam Einstein nie chciał w to uwierzyć. Jak zobaczył to rozwiązanie – które notabene wysłał mu Karl Schwarzschild w 1916 roku, kilka miesięcy po publikacji równań pola ogólnej teorii względności – to stwierdził, że może i owszem matematycznie dobrze to wygląda. Ale on jest fizykiem i sądzi, że takie coś nie może istnieć w rzeczywistości i musi istnieć jakiś proces fizyczny, który uniemożliwia powstawanie takich dziwacznych tworów. Po prostu Einstein uważał, że teoria teorią, obliczenia obliczeniami, ale przecież te wyniki muszą mieć jakiś sens, a żadne horyzonty zdarzeń, osobliwości sensu nie mają.
To wejdźmy do środka czarnej dziury. Skoro w czarnej dziurze nic nie ma, jest próżnia, a w samym środku jest tylko punktowa osobliwość, to co tam ma masę 4 milionów mas Słońc, jak w przypadku Sagittariusa A*? To osobliwość jest taka masywna?
W wielkim skrócie można by było tak powiedzieć. Co do zasady wszystko, co przekroczy horyzont zdarzeń, czyli wpadnie do czarnej dziury, ostatecznie musi skończyć w osobliwości, zostanie zgniecione do tego jednego punktu, przestanie być bytem materialnym i stanie się częścią tej grawitacyjnej energii. Teoria względności mówi nam, że grawitacja to jest krzywizna czasoprzestrzeni. Możemy ją wyobrażać sobie jako siłę, ale ta interpretacja w osobliwości się sypie. Inaczej mówiąc, na pytanie o to, "co robi tę masę", trzeba odpowiedzieć, że robi ją krzywizna czasoprzestrzeni.
Mamy zatem w centrum galaktyki czarną dziurę, której promień to nieco ponad 12 mln km. Zbliżamy się do niej, do tego wyliczonego horyzontu zdarzeń. Załóżmy, że nie ma wokół czarnej dziury gęstego dysku materii. Docieramy do samego horyzontu zdarzeń i go przekraczamy. Odczuwamy coś? Widzimy coś? Czy nie zauważymy, że właśnie skazaliśmy się na zagładę i czeka nas tylko podążanie ku osobliwości?
Nic się nie zmienia. Swobodnie opadający obserwator zbliżający się do supermasywnej czarnej dziury przekraczając horyzont zdarzeń, zupełnie nic by nie poczuł. Owszem, widziałby, że przed nim znajduje się ściana ciemności, że pochłania go ciemność, ale nic więcej by nie zaobserwował.
W materiałach prasowych dot. odkrycia pojawiło się takie hasło: ostatnia stabilna orbita kołowa. I tak sobie myślę na chłopski rozum. Skoro to jest orbita kołowa, to znaczy, że pozwala ona sobie krążyć wokół czarnej dziury niczym Księżyc wokół Ziemi. Nie trzeba odpalać silników, aby uchronić się przed wpadnięciem w czarną dziurę. Parkujemy na takiej orbicie swój statek i sobie tam latamy. Rozumiem, że poniżej tej orbity mamy już przechlapane, bo tam już nic nie jest stabilne, więc bez silników i tak wpadniemy za horyzont zdarzeń?
Tak, poniżej tej orbity wszystkie inne orbity kołowe są niestabilne. Jeżeli nasz hipotetyczny statek ma silniki, to może się uratujemy, stabilizując ruch siłą ciągu silnika. Jeżeli natomiast swobodnie dryfujemy, to nie mamy szans. W ogóle jeżeli ktoś chce stabilnie krążyć wokół czarnej dziury, to zalecałbym krążenie nieco dalej od niej niż na ostatniej stabilnej orbicie kołowej. Wszak zrobimy krok w niewłaściwą stronę, coś się przesunie i znajdziemy się już za blisko czarnej dziury i wtedy mamy przechlapane. Aby tam się utrzymać, to będziemy musieli się poruszać z konkretnym procentem prędkości światła.
Zastanawiam się w takim razie co teraz. Mamy już zdjęcia supermasywnych czarnych dziur w galaktyce M87 i w centrum Drogi Mlecznej. W którą stronę teraz będzie spoglądał Teleskop Horyzontu Zdarzeń?
To jest bardzo dobre pytanie. Jeżeli mówimy o innych obiektach, w których bylibyśmy w stanie dostrzec czarne dziury z rozdzielczością pozwalającą nam dostrzec taki horyzont zdarzeń jak w tych dwóch przypadkach, to nie znamy innych takich obiektów we wszechświecie. Inaczej mówiąc, takich obiektów jest mnóstwo, ale aby je dostrzec tak dokładnie jak te dwie czarne dziury, musielibyśmy znacznie powiększyć rozdzielczość naszego teleskopu. Problem w tym, że już teraz wykorzystujemy rozmiary całej Ziemi.
Aby zatem tego dokonać, musielibyśmy wystrzelić w kosmos flotę radioteleskopów, które będą w stanie utworzyć swoisty Kosmiczny Teleskop Horyzontu Zdarzeń. To jest jednak zupełnie inny poziom trudności i możliwe, że będziemy musieli długo poczekać na taki instrument. Możliwe jednak, że odkryjemy w naszym otoczeniu jakieś źródło, którego dotychczas nie zauważyliśmy i okaże się, że ma ono na tyle dużą masę, że będziemy w stanie wykonać zdjęcie jego czarnej dziury.
Warto jednak wspomnieć, że za pomocą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń obserwowaliśmy jeszcze kilka innych obiektów. W ubiegłym roku obserwowaliśmy chociażby potężny dżet materii w galaktyce Centaurus A czy też bardzo znany kwazar 3C 279, którego New York Times ochrzcił Pochodnią Bogów. Mimo że z tych obiektów nie jesteśmy w stanie stworzyć takich spektakularnych zdjęć jak w przypadku M87* czy Sgr A*, to mogą one dostarczyć nam fantastycznych danych o źródłach dżetów, czyli wąskich strumieni materii wystrzeliwanych w kosmos z centrów aktywnych galaktyk.
Warto też dodać, że opublikowane teraz zdjęcie jest efektem obserwacji zrealizowanych w 2017 r. Tymczasem do przeanalizowania mamy jeszcze dane obserwacyjne z 2018, 2021 i 2022 roku. Pracy przed nami jeszcze mnóstwo.
Maciej Wielgus - astronom zajmujący się fizyką czarnych dziur, a w szczególności ich obserwacjami w zakresie fal radiowych. Od lat związany z Centrum Astronomicznym im. M. Kopernika PAN w Warszawie. W 2017 roku podjął pracę w instytucie Black Hole Initiative na Uniwersytecie Harvarda i dołączył do zespołu Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (EHT), w którym zajmował się projektowaniem elementów ścieżki redukcji danych obserwacyjnych, a od 2018 kieruje pracami grupy naukowej poświęconej badaniom czasowej zmienności obserwowanych obiektów. Za otrzymanie pierwszych radiowych obrazów supermasywnych czarnych dziur w centrum galaktyki M87 i w centrum naszej Drogi Mlecznej otrzymał wraz z zespołem EHT szereg prestiżowych nagród naukowych, włącznie z Medalem Einsteina i Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Od jesieni 2021 pracuje w Instytucie Radioastronomii Maxa Plancka w niemieckim Bonn.
