Ideea găurilor negre datează din 1783, când omul de știință din Cambridge John Michell și-a dat seama că un obiect suficient de masiv într-un spațiu suficient de mic ar putea atrage chiar și lumina fără a-l lăsa să scape. Peste un secol mai târziu, Karl Schwarzschild a găsit o soluție exactă la teoria generală a relativității a lui Einstein, care a prezis același rezultat: o gaură neagră. Atât Michell cât și Schwarzschild au prezis o legătură clară între orizontul evenimentului sau raza regiunii din care lumina nu poate scăpa și masa găului negru.
Timp de 103 ani după predicția lui Schwarzschild, nu a putut fi verificată. Și abia pe 10 aprilie 2019, oamenii de știință au descoperit prima fotografie a orizontului evenimentului. Teoria lui Einstein a funcționat din nou, așa cum s-a întâmplat întotdeauna.
Deși știam deja destul de multe despre găurile negre, chiar înainte de prima imagine a orizontului evenimentului, s-a schimbat și s-a clarificat foarte mult. Am avut o mulțime de întrebări care acum au răspunsuri.
Pe 10 aprilie 2019, colaborarea Event Horizon Telescope a prezentat primul instantaneu de succes al orizontului evenimentului cu gaura neagră. Această gaură neagră este situată în Messier 87: cea mai mare și cea mai masivă galaxie din superclusterul nostru local de galaxii. Diametrul unghiular al orizontului evenimentului a fost de 42 de micro-secunde. Acest lucru înseamnă că este nevoie de 23 de patruzeci de găuri negre de aceeași dimensiune pentru a acoperi întregul cer.
La 55 de milioane de ani lumină distanță, masa estimată a găurii negre este de 6,5 miliarde de ori mai mare decât cea a Soarelui. Fizic, aceasta corespunde unei dimensiuni mai mari decât dimensiunea orbitei lui Pluton în jurul Soarelui. Dacă nu ar exista o gaură neagră, ar fi nevoie de lumină aproximativ o zi să treacă prin diametrul orizontului evenimentului. Și numai pentru că:
- telescopul cu orizont de eveniment are suficientă rezoluție pentru a vedea această gaură neagră
- gaura neagră emite puternic undele radio
- foarte puține unde radio în fundal pentru a interfera cu semnalul
am reușit să obținem această primă lovitură. Din care am învățat acum zece lecții profunde.
Video promotional:
Am învățat cum arată o gaură neagră. Ce urmeaza?
Aceasta este cu adevărat o gaură neagră, așa cum a prevăzut relativitatea generală. Dacă ați văzut vreodată un articol intitulat „Teoreticianul afirmă cu îndrăzneală că găurile negre nu există” sau „această nouă teorie a gravitației ar putea să-l întoarcă pe Einstein”, credeți că fizicienii nu au nicio problemă cu teorii alternative. Chiar dacă relativitatea generală a trecut toate testele pe care le-am pus, fizicienii nu au lipsă de extensii, înlocuiri sau alternative posibile.
Și respectarea unei găuri negre exclude un număr imens de ele. Știm acum că aceasta este o gaură neagră, nu o gaură de vierme. Știm că orizontul evenimentului există și că aceasta nu este o singularitate goală. Știm că orizontul evenimentului nu este o suprafață solidă, deoarece materia care scade trebuie să emită o semnătură infraroșie. Și toate aceste observații sunt în concordanță cu relativitatea generală.
Cu toate acestea, această observație nu spune nimic despre materia întunecată, cele mai modificate teorii despre gravitație, gravitația cuantică sau ce se află în spatele orizontului evenimentului. Aceste idei sunt dincolo de sfera de aplicare a observațiilor EHT.
Dinamica gravitațională a stelelor oferă estimări bune pentru masele unei găuri negre; observarea gazelor - nu. Înainte de prima imagine a unei găuri negre, aveam mai multe moduri diferite de a măsura masele de găuri negre.
Am putea folosi fie măsurători ale stelelor - cum ar fi orbitele individuale ale stelelor lângă o gaură neagră în propria noastră galaxie sau liniile de absorbție a stelelor din M87 - care ne-au dat masă gravitațională, sau emisiile de gaze care se deplasează în jurul găurii negre centrale.
Atât pentru galaxia noastră, cât și pentru M87, aceste două estimări au fost foarte diferite: estimările gravitaționale au fost cu 50-90% mai mari decât cele gazoase. Pentru M87, măsurătorile de gaz au arătat că gaura neagră avea 3,5 miliarde de sori, iar măsurările gravitaționale au fost mai apropiate de 6,2 - 6,6 miliarde. Dar rezultatele EHT au arătat că gaura neagră are 6,5 miliarde de mase solare, ceea ce înseamnă, dinamica gravitațională este un excelent indicator al maselor găurilor negre, dar concluziile gazelor se îndreaptă spre valori mai mici. Aceasta este o oportunitate excelentă de a revizui presupunerile noastre astrofizice despre gazul orbital.
Ar trebui să fie o gaură neagră care se învârte, iar axa ei de rotație se distanțează de Pământ. Prin observații despre orizontul evenimentului, emisiile radio din jurul său, un jet pe scară largă și emisiile radio extinse măsurate de alte observatorii, EHT a stabilit că este o gaură neagră (rotativă) Kerr, nu o gaură neagră Schwarzschild (nu se rotește).
Nu există o singură caracteristică simplă a unei găuri negre pe care am putea să o studiem pentru a determina această natură. În schimb, trebuie să construim modele ale găurii negre în sine și a materiei din afara ei, apoi să le dezvoltăm pentru a înțelege ce se întâmplă. Când căutați semnale care pot apărea, aveți ocazia să le limitați, astfel încât acestea să fie în concordanță cu rezultatele dvs. Această gaură neagră ar trebui să se rotească, iar axa de rotație punctează de pe Pământ la aproximativ 17 grade.
În sfârșit, am putut determina dacă există material în jurul găurii negre, corespunzător discurilor și fluxurilor de acumulare. Știam deja că M87 are un jet - din observații optice - și că acesta a emis și în intervalele radio și radiografie. Acest tip de radiații nu pot fi obținute doar de la stele sau fotoni: aveți nevoie de materie, precum și de electroni. Doar prin accelerarea electronilor într-un câmp magnetic putem obține emisia radio caracteristică pe care am văzut-o: radiația de sincrotron.
Și, de asemenea, a fost nevoie de o cantitate incredibilă de lucrări de modelare. Modificând toți parametrii posibili ai tuturor modelelor posibile, veți afla că aceste observații nu necesită numai fluxuri de acumulare pentru a explica rezultatele radiofonice, dar, de asemenea, prezice în mod necesar rezultate ale undelor radio - cum ar fi razele X. Cele mai importante observații au fost făcute nu numai de EHT, ci și de alte observatorii, cum ar fi telescopul cu raze X Chandra. Fluxurile de acumulare trebuie să se încălzească, așa cum se dovedește din spectrul emisiilor magnetice ale M87, în conformitate cu electronii acceleratori relativiți într-un câmp magnetic.
Inelul vizibil demonstrează forța gravitației și a lentilelor gravitaționale în jurul găurii negre centrale; și din nou a fost testată relativitatea generală. Acest inel din domeniul radio nu corespunde orizontului evenimentului în sine și nu corespunde cu inelul particulelor rotative. Și nu este nici cea mai stabilă orbită circulară a unei găuri negre. Nu, acest inel provine dintr-o sferă de fotoni cu gravitație, ale căror căi sunt îndoite de gravitatea găurii negre din drumul lor spre ochii noștri.
Această lumină se apleacă într-o sferă mai mare decât s-ar fi așteptat dacă gravitația nu ar fi la fel de puternică. Așa cum scrie Evenimentul Orizont Telescope Collaboration:
"Am constatat că mai mult de 50% din fluxul total în arcsecunde trece aproape de orizont și că această radiație este suprimată brusc atunci când lovește această regiune, cu un factor de 10, care este o dovadă directă a umbrei prezise a unei găuri negre."
Teoria generală a relativității a lui Einstein s-a dovedit a fi încă o dată corectă.
Găurile negre sunt fenomene dinamice, radiațiile lor se schimbă în timp. Cu o masă de 6,5 miliarde de sori, va dura lumina aproximativ o zi pentru a traversa orizontul evenimentului găurii negre. Acest lucru stabilește aproximativ intervalul de timp în care ne putem aștepta să vedem schimbări și fluctuații ale emisiilor observate de EHT.
Chiar și observațiile care au durat câteva zile ne-au permis să confirmăm că structura radiației emise se schimbă în timp, așa cum s-a prevăzut. Datele din 2017 conțin patru nopți de observații. Chiar și uitându-vă la aceste patru imagini, puteți vedea vizual că primele două au caracteristici similare și ultimele două, totuși, există diferențe semnificative între prima și ultima. Cu alte cuvinte, proprietățile radiațiilor din jurul unei găuri negre din M87 se schimbă în timp.
EHT va dezvălui în viitor originea fizică a izbucnirii găurilor negre. Am văzut, atât în radiografii, cât și în benzile radio, că o gaură neagră din centrul propriei noastre Calea Lactee emite scurte explozii de radiații. Deși prima imagine cu gaura neagră prezentată a arătat un obiect supermassiv în M87, gaura neagră din galaxia noastră - Săgetătorul A * - va fi la fel de mare, schimbându-se doar mai repede.
Față de masa M87 - 6,5 miliarde de mase solare - masa Săgetătorului A * va fi de doar 4 milioane de mase solare: 0,06% din primele. Aceasta înseamnă că fluctuațiile nu vor mai fi observate în timpul zilei, ci chiar într-un minut. Caracteristicile găurii negre se vor schimba rapid, iar atunci când apare un focar, putem dezvălui natura sa.
Cum sunt legăturile legate de temperatura și luminozitatea imaginii radio pe care le-am văzut? Există o reconectare magnetică, ca în ejectiile de masă coronală a Soarelui nostru? Există ceva izbucnit în fluxurile de acumulare? Săgetătorul A * clipește zilnic, așa că vom putea asocia toate semnalele necesare cu aceste evenimente. Dacă modelele și observațiile noastre sunt la fel de bune ca și pentru M87, este posibil să putem determina ce conduce aceste evenimente și poate chiar să știm ce se încadrează în gaura neagră, creându-le.
Vor apărea date de polarizare care vor dezvălui dacă găurile negre au propriul lor câmp magnetic. În timp ce cu toții eram fericiți să vedem prima imagine a orizontului evenimentului unei găuri negre, este important să înțelegem că în curând va apărea o imagine complet unică: polarizarea luminii care emană dintr-o gaură neagră. Datorită naturii electromagnetice a luminii, interacțiunea ei cu câmpul magnetic va imprima o semnătură de polarizare specială, permițându-ne să reconstruim câmpul magnetic al găurii negre, precum și modul în care se schimbă în timp.
Știm că materia din afara orizontului evenimentului, fiind în esență particule încărcate (precum electronii), generează propriul său câmp magnetic. Modelele indică faptul că liniile de câmp pot rămâne fie în fluxurile de acumulare, fie pot trece prin orizontul evenimentului, formând un fel de „ancoră” în gaura neagră. Există o legătură între aceste câmpuri magnetice, creșterea acumulării și a găurilor negre și jeturi. Fără aceste câmpuri, materia din fluxurile de acreție nu ar putea pierde impulsul unghiular și să se încadreze în orizontul evenimentului.
Datele de polarizare, datorită puterii imaginii polarimetrice, ne vor spune despre acest lucru. Avem deja datele: rămâne să realizăm o analiză completă.
Îmbunătățirea Telescopului Orizontului Evenimentului va dezvălui prezența altor găuri negre în apropierea centrelor galactice. Când o planetă se învârte în jurul Soarelui, aceasta nu se datorează numai faptului că Soarele are un efect gravitațional asupra planetei. Există întotdeauna o reacție egală și opusă: planeta afectează soarele. De asemenea, atunci când un obiect orbitează o gaură neagră, el exercită și presiune gravitațională asupra găurii negre. În prezența unui set întreg de mase în apropierea centrelor galaxiilor - și, teoretic, a multor găuri negre invizibile până acum - gaura neagră centrală ar trebui să tremure literalmente în locul său, fiind distrusă de mișcarea browniană a corpurilor înconjurătoare.
Trucul pentru a face această măsurare astăzi este că aveți nevoie de un punct de referință pentru a vă calibra poziția în raport cu locația găurii negre. Tehnica pentru o astfel de măsurare presupune că vă uitați la calibrator, apoi la sursă, din nou la calibrator, din nou la sursă și așa mai departe. În același timp, trebuie să vă mișcați privirea foarte repede. Din păcate, atmosfera se schimbă foarte repede și multe se pot schimba în 1 secundă, așa că pur și simplu nu vei avea timp să compari două obiecte. În orice caz, nu cu tehnologia modernă.
Dar tehnologia în acest domeniu se dezvoltă incredibil de rapid. Instrumentele utilizate pe EHT așteaptă actualizări și s-ar putea să poată atinge viteza necesară până la jumătatea anilor 2020. Acest puzzle ar putea fi rezolvat până la sfârșitul următorului deceniu, datorită instrumentării îmbunătățite.
În cele din urmă, Event Horizon Telescope va vedea în cele din urmă sute de găuri negre. Pentru a dezasambla o gaură neagră, rezoluția tabloului de telescop trebuie să fie mai bună (adică rezoluție înaltă) decât dimensiunea obiectului pe care îl căutați. În prezent, EHT poate face doar trei găuri negre cunoscute din Univers cu un diametru suficient de mare: Săgetătorul A *, centrul M87, centrul galaxiei NGC 1277.
Dar putem crește puterea ochiului Telescopului Orizontului Event la dimensiunea Pământului dacă lansăm telescoapele pe orbită. În teorie, acest lucru este deja realizabil din punct de vedere tehnic. Creșterea numărului de telescoape crește numărul și frecvența observațiilor, precum și rezoluția.
Prin îmbunătățirile necesare, în loc de 2-3 galaxii, vom putea găsi sute de găuri negre sau chiar mai multe. Viitorul albumelor foto cu gaură neagră arată luminos.
Proiectul Telescopului Orizontului Evenimentului a fost scump, dar a dat rezultate. Astăzi trăim în era astronomiei cu gaura neagră și am reușit să le observăm în sfârșit cu ochii noștri. Acesta este doar începutul.
Ilya Khel
