Prve slike crnih rupa: kako smo fotografisali ono što ne svetli

Šta uopšte možemo da vidimo?

Crna rupa nije crna kugla od čvrste materije. U opštoj teoriji relativnosti ona je područje prostor-vremena iz kojeg, nakon prelaska horizonta događaja, svetlost ne može stići do udaljenog posmatrača. Sam horizont ne svetli. Ako oko crne rupe postoji vreo gas, on može da zrači pre nego što padne unutra. Upravo njegovo zračenje, zajedno sa tamnom oblasti koju stvara snažna gravitacija, omogućava da prepoznamo crnu rupu.

U središtu galaksije Mesije 87, udaljene oko 55 miliona svetlosnih godina, nalazi se objekat M87* mase približno 6,5 milijardi masa Sunca. Prikazani sjajni prsten potiče od užarenog materijala blizu crne rupe, uključujući svetlost koja je skrenuta njenom gravitacijom. Tamna sredina je senka: oblast iz koje do nas stiže mnogo manje zračenja, jer deo svetlosti biva zarobljen, a putanje fotona snažno zakrivljene. Senka nije isto što i sam horizont događaja; njena prividna veličina je približno 2,5 puta veća od veličine horizonta u odgovarajućem poređenju.

Prsten nije ni pravilno obojena cev. Njegova donja strana u prvoj slici M87* izgleda svetlije. Jedan važan razlog je relativističko pojačanje svetlosti sa dela gasa koji se kreće prema nama. Tačan izgled zavisi i od raspodele plazme, magnetnih polja, ugla posmatranja i obrade podataka. Akrecioni tok oko crne rupe ne mora biti uredan tanak disk poput Saturnovog prstena.

Teleskop velik kao Zemlja — ali samo „virtuelno“

Čak i ogromna crna rupa na velikoj udaljenosti zauzima veoma mali ugao na nebu. Da bi se razdvojili delovi njenog prstena, astronomima je bila potrebna oštrina kao da imaju teleskop veličine Zemlje. Projekat Event Horizon Telescope (EHT) zato je tokom posmatranja 2017. povezao osam radio-opservatorija na različitim kontinentima, među njima ALMA u Čileu i teleskop na Južnom polu. One su posmatrale na talasnoj dužini oko 1,3 milimetra.

Ova metoda zove se interferometrija veoma dugih baza, skraćeno VLBI. Teleskopi ne šalju sliku jedni drugima u realnom vremenu. Svaki beleži radio-signal i precizno vreme njegovog prijema, uz atomske časovnike. Ogromne količine podataka potom su fizički dopremane u računarske centre, gde se signali usklađuju i porede. Različiti razmaci i pravci između parova teleskopa daju različite delove informacije o malenom izvoru na nebu. Mreža ostvaruje izuzetnu ugaonu rezoluciju, ali ne dobija onoliko svetlosti koliko bi skupio jedan puni tanjir prečnika Zemlje. U podacima zato ostaju praznine.

Naučnici su iz tih nepotpunih merenja morali da rekonstruišu sliku. Više nezavisnih timova primenilo je različite algoritme i proveravalo da li svi daju istu osnovnu strukturu. Upoređivali su podatke sa simuliranim slikama, kalibrisali teleskope i ispitivali šta se menja ako se promeni način obrade. Objavljeni prsten nije slobodan crtež računara: ograničen je opažanjima. Ali nije ni obična fotografija kakvu napravi telefon jednim pritiskom dugmeta. Narandžasta boja je izabrana za prikaz jačine radio-zračenja, koje oko ne može direktno da vidi.

Dva datuma, dve crne rupe

Prva slika, M87*, objavljena je 10. aprila 2019, na osnovu kampanje iz 2017. Druga, crna rupa Sagittarius A* u središtu našeg Mlečnog puta, objavljena je 12. maja 2022, takođe iz podataka prikupljenih 2017. Ona ima oko četiri miliona Sunčevih masa i udaljena je približno 27.000 svetlosnih godina. Dakle, mnogo nam je bliža, ali je i mnogo manja od M87*. Zato oba prstena na nebu imaju uporediv prividni ugaoni prečnik.

Zašto je bližu crnu rupu bilo teže prikazati? Materijal oko manjeg Sagittarius A* menja se mnogo brže, u vremenu uporedivom sa trajanjem noćnog posmatranja, dok je M87* sporiji na toj skali. Kada pokušavate da složite podatke iz više teleskopa, izvor koji se menja liči na osobu koja se pomera tokom duge ekspozicije. Osim toga, radio-talasi iz galaktičkog centra prolaze kroz međuzvezdani gas koji može zamutiti signal. Tim EHT-a zato je za Sagittarius A* analizirao brojne moguće slike i izdvojio ono što im je zajedničko. Tamna oblast i kružni prsten pokazali su se postojanim, ali detalje sitnih svetlih tačaka ne treba čitati kao nepomične „mrlje“ na crnoj rupi.

Šta slika proverava, a šta ne dokazuje sama?

Veličina senke može se uporediti s masom nezavisno procenjenom iz kretanja zvezda ili okolnog gasa. Oblik prstena snažan je test teorije gravitacije u ekstremnim uslovima. Ipak, slika sama ne otkriva celu unutrašnju građu objekta, ne pokazuje šta je „iza“ horizonta i ne govori automatski koliko se brzo crna rupa okreće. Za ta pitanja potrebna su dodatna merenja i modeli. Posebno su dragocena merenja polarizacije, koja daju tragove o uređenju magnetnog polja i o tome kako materijal teče ili učestvuje u stvaranju mlazova.

Najveće dostignuće nije to što smo „osvetlili tamu“. Uspeli smo da izmerenim radio-talasima i dobro proverenom analizom prikažemo trag svetlosti koju gravitacija oblikuje na samoj granici onoga što se može videti. Upravo je jasna granica između opažanja, rekonstrukcije i tumačenja razlog da ove slike budu toliko ubedljive.