Uprostřed galaxie zvané Messier 87, vzdálené asi 55 miliónů světelných let, o níž veškerá hmota galaxií obíhá, leží monstrum: supermasivní černá díra. S přibližně 6, 5 miliardami krát hmotností Slunce je černá díra ve středu M87 tak hustá, že její úniková rychlost nebo rychlost potřebná k úniku z gravitace objektu je větší než rychlost světla. V důsledku toho ani fotony světla nemohou uniknout, jakmile se přiblíží.
Ale nenechte se zmást názvem „černá díra“. "V jakémsi paradoxu přírody jsou černé díry, které nedovolují úniku světla, jedním z nejjasnějších objektů ve vesmíru, " říká Shep Doeleman, vedoucí výzkumný pracovník Harvard-Smithsonianova centra pro astrofyziku a ředitel projektu Event Horizon Telescope (EHT), mezinárodní úsilí o přímé zobrazení supermasivní černé díry s dalekohledy po celém světě.
Projekt EHT, zahrnující osm observatoří a více než 60 vědeckých institucí ve více než 20 zemích, dnes vydal první obrázek černé díry. "Je to poprvé, co jsem tento obrázek viděl právě teď, " říká France Córdova, ředitelka Národní vědecké nadace (NSF), na tiskové konferenci v Národním tiskovém klubu. "A to mi přineslo slzy." To je velmi velký problém. “
V Astrophysical Journal bylo dnes také zveřejněno šest vědeckých prací, které podrobně popisovaly první přímá pozorování černé díry.
Ačkoli světlo nemůže uniknout samotné černé díře, každá černá díra, známá jako horizont událostí, obklopuje určitý druh ohraničení. Jakákoli záležitost, která putuje za horizont události, je spotřebována černou dírou, ale jak se hromady plynů hromadí těsně před horizontem události, jsou zahřívány na stovky miliard stupňů a emitují obrovské množství záření přes galaxii. Horizont událostí kolem černé díry M87 je asi 1, 5 světelného dne napříč, nebo asi 40 miliard kilometrů, zhruba stejné velikosti jako naše sluneční soustava.
"To, co člověk očekává, když uvidíte uprostřed černé galaxie superhmotnou černou díru a my si myslíme, že existují ve středu většiny galaxií, je to, že intenzivní gravitace čerpá plyn v blízkosti k černé díře a zahřívá se." nahoru, “říká Doeleman. "Pokoušíte se komprimovat hodně plynu do nejmenšího objemu, jaký si dokážete představit ... a všechno to velmi horký plyn emituje [světlo]."
Po letech plánování s více než 200 mezinárodními vědci jsou data, která ukazují první obrázek černé díry, připravena. Tým shromažďuje velké odhalení - v astrofyzice je to seismický moment.Pozorování černé díry ve středu M87 ukazují, že se otáčí ve směru hodinových ručiček. Ve spodní části obrázku, kde je světelný kroužek jasnější, se rotace černé díry pohybuje směrem k nám, zatímco část prstence v horní části obrazu se pohybuje pryč.
Fotografování hořícího plynu obklopujícího horizont události černé díry, který astronomové nazývají „stínem“ černé díry nebo její „siluetou“, se ukázalo jako obtížné. Černá díra M87 je ve středu galaxie zahalená za jasnými hvězdami a velkými proudy plynu a prachu. Aby astronomové zachytili fotony světla, které dokážou uniknout gravitační studně supermasivní černé díry, přitahované směrem k horizontu události, než letěly 55 miliónů světelných let přes M87 a přes mezigalaktický prostor na Zemi, astronomové spojili některé z nejsilnějších rádií dalekohledy, které kdy byly postaveny, aby v jistém smyslu vytvořily dalekohled o velikosti Země.
"Existuje speciální pole s názvem Velmi dlouhá základní interferometrie, ve kterém spojujete rozhlasová jídla po celém světě a získáte extrémně vysoké zvětšení, " říká Doeleman. Observatoře radioastronomie, od dalekohledu na Jižním pólu po Grónský dalekohled, přispěly nebo přispějí pozorování k EHT. "S technikou VLBI, kde z celé Země uděláte dalekohled, musíte propojit mísy na obou stranách Země pomocí sítě atomových hodin, a to je to, co děláme."
Event Horizon Telescope shromáždil data pro první snímek černé díry v roce 2017. Pomocí atomových hodin pro sladění pozorování v čase a superpočítačů pro kompilaci petabytů dat mohou vědci účinně dosáhnout rozlišení zemského dalekohledu - ale ne schopnost sběru světla, takže techniku lze použít pouze k pozorování velmi jasných objektů. VLBI může sbírat rádiové vlny pouze na povrchech misek, které se neustále otáčí se Zemí, přičemž pozoruje střed M87.
Pole Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), které se nachází v severním Chile, s Mléčnou dráhouESES / Y. Beletsky na obloze. ALMA je nejvýkonnější rádiová observatoř v síti událostí Horizon Telescope. (ESO / Y. Beletsky) "Na tyto dalekohledy si můžete myslet jako na malé kousky stříbra na zrcadle velikosti Země, a když se pohybují kolem, vysledují prameny odrazivosti, a tak skončíte tkáním dohromady nebo spřádáním dalekohledu velikosti Země - téměř se budujete web jako pavouk, “říká Doeleman.
Dalekohledy shromažďují extrémně vysokofrekvenční (EHF) rádiové vlny, téměř infračervené světlo na elektromagnetickém spektru, s vlnovou délkou 1, 3 milimetru. Frekvence je „dokonalá“, aby se vydala rozsáhlá cesta od okrajů černé díry k našim rádiovým anténám, říká Doeleman. Hvězdárny se obecně obracejí k M87 v noci a během měsíců března a dubna, kdy jsou výpary atmosférické vody na nejnižší úrovni.
Event Horizon Telescope také pozoroval Střelce A *, supermasivní černou díru ve středu naší vlastní galaxie, Mléčnou dráhu. Střelec A * (prohlásil „Střelec A-star“) je mnohem méně aktivní superhmotná černá díra než ta ve středu M87. Střelec A * je umístěn asi 26 000 světelných let daleko a je dostatečně malý na to, aby se na obloze objevoval na stejné velikosti jako mnohem dál M87.
Mnoho vědců věří, že černé díry mají smysl v oblasti teoretické fyziky, ale ve skutečném životě nemohly existovat. Zachycení obrazu černé díry by to všechno změnilo.Kromě horizontu zářících událostí kolem černé díry M87 vypouští objekt trysky materiálu ze svých pólů do vesmíru. "Dostáváte tyto trysky relativistických částic, protože je to samozřejmě velmi energické, které mohou vytéct desítky tisíc světelných let, " říká Doeleman. "Mohou se pohybovat po celé galaxii a to je to osvobození energie v galaktickém měřítku, které může změnit vzhled celé galaxie."
Energie proudů proudících ze supermasivní černé díry je určena tím, kolik hmoty černá díra spotřebuje, a také její rotací, magnetickým polem a dalšími vlastnostmi. "Trysky nesou ekvivalent 10 miliard supernov v energii, " říká Sera Markoff, člen vědecké rady EHT a profesor na Amsterdamské univerzitě, na tiskové konferenci. "Tyto bizzare jímky ve struktuře časoprostoru mají samy o sobě mnoho důsledků, " říká Markoff. Když černá díra chrlí obrovské množství energie, zabraňuje plynům kolem horizontu události tvořit nové hvězdy a stylovat růst galaxií.
Ve středu černé díry je podle Einsteinovy obecné teorie relativity bod singularity, kde je veškerá hmota objektu kondenzována do tak malého objemu, že hustota je v podstatě nekonečná. V tomto okamžiku se věří, že se známé fyzikální zákony rozpadají. Blíže k horizontu událostí však vědci prozkoumají tvar siluety černé díry, aby otestovali zákony relativity.
"Musím přiznat, že jsem byl trochu ohromen, že se tak přesně shodovalo s předpovědi, které jsme učinili, " říká na tiskové konferenci Avery Broderick, astrofyzik s EHT a docent na University of Waterloo. "Je to potěšující, ale také trochu rozrušující."
Tvar světla kolem černé díry, známý jako fotonový kroužek, kde světlo obíhá kolem středu, slouží jako nejintenzivnější test Einsteinových teorií gravitace, jaký byl kdy proveden.
"Jedním z důvodů, proč vidíte ten světelný kruh, je to, že to je orbita, na které jsou fotony nuceny pohybovat se v kruhu kolem černé díry, " říká Doeleman. "Je to opravdu mimořádné - berete předmět jako foton, který cestuje tak rychle, jak se může cokoli ve vesmíru pohybovat, nejrychleji se můžete pohybovat, a pak si uvědomíte, že existuje objekt nazývaný černá díra, který způsobí, že se paprsek světla ohne kompletní kruh. A to je v podstatě to, co vidíte. … A pokud projdete Einsteinovými rovnicemi, je to velmi speciální orbita. “
Když viděl prsten kolem černé díry, její stín siluety proti vesmíru, potvrdil, že teoretická fyzika stanovená před více než 100 lety stále platí „v jedné z nejextrémnějších laboratoří, které nám vesmír poskytuje.“
"Myslím, že to mluví s lidským duchem, upřímně řečeno, že to dokážeme vytáhnout, " říká Doeleman.
Lovci černé díry mají premiéru v pátek 12. dubna v 21 hodin na Smithsonian Channel.
