Prve slike črnih lukenj: kako smo fotografirali tisto, kar ne sveti

Kaj sploh lahko vidimo?

Črna luknja ni črna krogla iz trdne snovi. V splošni teoriji relativnosti je to območje prostora-časa, iz katerega po prečkanju obzorja dogodkov svetloba ne more doseči oddaljenega opazovalca. Samo obzorje se ne osvetli. Če je okoli črne luknje vroč plin, lahko seva, preden pade vanjo. Njegovo sevanje, skupaj s temnim območjem, ki ga ustvarja močna gravitacija, nam omogoča, da prepoznamo črno luknjo.

V središču galaksije Messier 87, približno 55 milijonov svetlobnih let stran, je objekt M87* z maso približno 6,5 milijard sončnih mas. Prikazani svetel obroč izvira iz žarečega materiala v bližini črne luknje, vključno s svetlobo, ki jo odklanja njena gravitacija. Temno okolje je senca: območje, od koder nas doseže veliko manj sevanja, saj je del svetlobe ujet in so poti fotonov močno ukrivljene. Senca ni enaka samemu obzorju dogodkov; njegova navidezna velikost je približno 2,5-krat večja od velikosti horizonta v ustrezni primerjavi.

Prstan sploh ni pravilno obarvana cevka. Njegova spodnja stran je na prvi sliki M87* svetlejša. Eden od pomembnih razlogov je relativistično ojačanje svetlobe iz dela plina, ki se premika proti nam. Natančen videz je odvisen tudi od porazdelitve plazme, magnetnih polj, vidnega kota in obdelave podatkov. Ni nujno, da je akrecijski tok okoli črne luknje čist tanek disk, kot so Saturnovi obroči.

Teleskop velik kot Zemlja - a le "virtualno"

Tudi supermasivna črna luknja na veliki razdalji zavzema zelo majhen kot neba. Za ločitev delov njegovega obroča so astronomi potrebovali ostrino teleskopa v velikosti Zemlje. Projekt Event Horizon Telescope (EHT) je zato med opazovanji leta 2017 povezal osem radijskih observatorijev na različnih celinah, med njimi ALMA v Čilu in teleskop na južnem polu. Opazovali so pri valovni dolžini približno 1,3 milimetra.

Ta metoda se imenuje zelo dolga osnovna interferometrija, na kratko VLBI. Teleskopi drug drugemu ne pošiljajo slik v realnem času. Vsaka z atomskimi urami beleži radijski signal in natančen čas njegovega sprejema. Ogromne količine podatkov se nato fizično dostavijo v računalniške centre, kjer se signali uskladijo in primerjajo. Različne razdalje in smeri med pari teleskopov zagotavljajo različne informacije o majhnem viru na nebu. Mreža dosega izjemno kotno ločljivost, vendar ne prejme toliko svetlobe, kot bi jo zbrala polna plošča s premerom Zemlje. Zato ostajajo vrzeli v podatkih.

Znanstveniki so morali rekonstruirati sliko iz teh nepopolnih meritev. Več neodvisnih skupin je uporabilo različne algoritme in preverilo, ali vsi dajejo isto osnovno strukturo. Podatke so primerjali s simuliranimi slikami, kalibrirali teleskope in preučili, kaj se spremeni, če se spremeni metoda obdelave. Objavljeni prstan ni prosta računalniška risba: omejen je z opazovanji. Vendar to ni običajna fotografija, kot jo vaš telefon posname z enim pritiskom na gumb. Oranžna barva je bila izbrana za prikaz jakosti radijskega sevanja, ki ga oko ne vidi neposredno.

Dva zmenka, dve črni luknji

Prva slika, M87*, je bila objavljena 10. aprila 2019 na podlagi kampanje iz leta 2017. Druga, črna luknja Strelec A* v središču naše Rimske ceste, je bila objavljena 12. maja 2022, prav tako na podlagi podatkov, zbranih leta 2017. Ima približno štiri milijone sončnih mas in je oddaljena približno 27.000 svetlobnih let. Tako nam je veliko bližje, a je tudi precej manjši od M87*. Zato imata oba obroča na nebu primerljiv navidezni kotni premer.

Zakaj je bilo bližjo črno luknjo težje prikazati? Material okoli manjšega Strelca A* se spreminja veliko hitreje, na časovni lestvici, ki je primerljiva s trajanjem nočnega opazovanja, medtem ko je M87* na tej lestvici počasnejša. Ko poskušate zložiti podatke iz več teleskopov, je spreminjajoči se vir videti kot oseba, ki se premika med dolgo osvetlitvijo. Poleg tega gredo radijski valovi iz galaktičnega središča skozi medzvezdni plin, ki lahko zakrije signal. Ekipa EHT je zato analizirala številne možne slike Strelca A* in izpostavila, kaj imajo skupnega. Temno območje in krožni obroč sta prikazana kot obstojna, vendar podrobnosti o drobnih svetlih pikah ne bi smeli brati kot stacionarne "madeže" na črni luknji.

Kaj podoba potrjuje in česa ne dokazuje sama?

Velikost sence je mogoče primerjati z maso, neodvisno ocenjeno iz gibanja zvezd ali okoliškega plina. Oblika obroča je močan preizkus teorije gravitacije v ekstremnih pogojih. Vendar slika sama po sebi ne razkrije celotne notranje strukture predmeta, ne pokaže, kaj je "za" obzorjem, in ne pove samodejno, kako hitro se črna luknja vrti. Za ta vprašanja so potrebne dodatne meritve in modeli. Posebej dragocene so polarizacijske meritve, ki dajejo namige o razporeditvi magnetnega polja in kako material teče ali sodeluje pri nastajanju curkov.

Največji dosežek ni to, da smo »razsvetlili temo«. Z izmerjenimi radijskimi valovi in ​​dobro preverjeno analizo nam je uspelo prikazati svetlobno sled, ki jo gravitacija oblikuje na samem robu vidnega. Prav jasna meja med percepcijo, rekonstrukcijo in interpretacijo dela te slike tako prepričljive.