3A. Zobaczyć czarną dziurę!
To jedno z najbardziej ambitnych zadań nowoczesnej astronomii.
Jak poradzić sobie z tym zadaniem? Sam horyzont zdarzeń czarnej dziury nie objawia się sam. Ale można na przykład zobaczyć jego cień - jest nieco większy niż horyzont - dla nierotującej czarnej dziury, półtora raza. W tym przypadku cień jest kołem, w którym obserwator nie widzi fotonów emitowanych dalej przez czarną dziurę. Można także spróbować zobaczyć, co dzieje się na ostatniej stabilnej orbicie wokół czarnej dziury. Jej promień jest trzy razy większy od promienia horyzontu zdarzeń.
Jest oczywiste, że jest to bardzo trudne zadanie. Promień horyzontu - promień Schwarzschilda - nierotującej czarnej dziury o masie Słońca wynosi 3 km i jest proporcjonalny do masy. Tak więc, w przypadku miliarda mas Słońca - i takie BH istnieją, promień wyniesie 3 miliardy km, a to jest już rozmiat systemu słonecznego. Dla uproszczenia, wszystkie oszacowania są podane dla nierotującej czarnej dziury. W przypadku rotujących, realnych czarnych dziur, horyzont zdarzeń jest mniejszy - zależy od parametrów rotacji i nie jest sferyczny. Pozostałe parametry również są nieco inne.
W przeważającej większości czarnych dziur zadanie "fotografowania" jej najbliższego otoczenia jest beznadziejne. Na przykład kąt, pod którym widoczny jest horyzont pierwszej odkrytej czarnej dziury Cygnus X-1, wynosi około 10ᶺ(-15) radianów lub 10ᶺ (-10) sekund kątowych. Ale są i nie tak beznadziejne przypadki.
Promień horyzontu jest proporcjonalny do masy, a nie do jej pierwiastka sześciennego, jak dla zwykłych ciał. Rekord w rozmiarze kątowym dzielą dwa obiekty o ogromnej masie. Pierwsza to centralna czarna dziura w naszej galaktyce - 4,14 miliona mas Słońca. Promień jej horyzontu zdarzeń jest widoczny pod kątem 0,5 × 10ᶺ(-10) radianów lub 10 mikrosekund kątowych. Prawie tym samym kątem można zaobserwować supermasywną czarną dziurę w centrum galaktyki M87, która znajduje się w najbliższej dużej gromadzie galaktyk w gwiazdozbiorze Panny. Do niej jest około 2000 razy dalej, ale jej masa wynosi około 2000 razy więcej - około 10 miliardów mas Słońca.
Granica rozdzielczości istniejących teleskopów optycznych jest tysiąc razy gorsza od podanej wartości. Radiointerferometry mają lepszą rozdzielczość: jeśli odległość między antenami jest zbliżona do wielkości Ziemi, to przy długości fali kilku centymetrów rozdzielczość będzie wynosić 10ᶺ(-8), czyli rzędu milisekundy kątowej. Jeszcze trochę mało. Jeśli wyprowadzisz jedną z anten daleko w przestrzeń kosmiczną, wtedy rozdzielczość staje się wystarczająca, aby zobaczyć cienie dwóch czarnych dziur wymienionych powyżej.
Dotyczy to eksperymentów „Radioastrona”, który już dostarczył mapy wielu obiektów o rekordowej rozdzielczości, w szczególności mapy dżetów emitowanych przez supermasywną czarną dziurę w galaktyce M87. Rozddzielczość „Radioastrona” powinna wystarczyć, aby zobaczyć pożądany cień. Ale istnieje inny problem: otoczenie czarnej dziury w M87 jest nieprzejrzyste dla fal radiowych, na których działa „Radioastron”. W polu magnetycznym znajduje się zbyt wiele wysokoenergetycznych elektronów, które pochłaniają fale radiowe, jest to tak zwany efekt samoabsorbowania synchrotronowego. Było to z góry jasne, obserwacje rdzenia M87 potwierdziły ten fakt. I „Radioastron” widzi tylko zewnętrzną "fotosferę" jądra M87.
Aby przeniknąć głębiej, potrzebne są krótsze fale - efekt synchrotronowej samoabsorpcj szybko maleje wraz ze zmniejszaniem długości fali. I pod tym względem główne nadzieje wiążą się z projektem EHT (Event Horizon Telescope), globalnym interferometrem z wieloma antenami działającymi w zakresie submilimetrowym, o którym była notka.
Pasmo submilimetrowe jest bardziej skomplikowane dla interferometrii niż centymetrowe. Potrzebne są ultraprecyzyjne, ultrastabilne zegary i ogromne ilości przetwarzanych informacji np. setki procesorów, czy sieć 40 Gbit/s. Takie możliwości pojawiły się dopiero w niedawno. Rozdzielczość kątowa globalnego interferometru w paśmie submilimetrowym wynosi około dziesięć mikrosekund, co wystarcza aby zbliżyć się do horyzontu zdarzeń dwóch wspomnianych czarnych dziur. Pierwsze wyniki mają podobno pojawić się w 2019 roku.
Może to dotyczyć projektu kosmicznego teleskopu „Milimetron”, który miał pracować także jako interferometr z bazami „Ziemia – Kosmos”. Jednak projekt jego realizacji, jak podał niedawno v- prezydent Rosyjskiej Akademii Nauk Jurij Baleta został przeniesiony na lata 30-te tego wieku wobec informacji o braku finansowania federalnego tego celu. „Milimetron” jako następca „Radioastronu” miał prowadzić badania w zakres fal milimetrowych i w podczerwieni: na długościach od 0,02 dо 17 milimetrów. Przestawiony w tryb interferometru miał mieć fantastyczną rozdzielczość kątową.
A tymczasem niedawno pojawiła się nieoczekiwana i optymistyczna wiadomość: zaobserwowano ruch na orbicie, której rozmiar jest tylko kilka razy większy niż promień horyzontu wydarzeń czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. I odkrycie dokonano prawie w optyce, w bliskiej podczerwieni - 2,2 mikrona.
Astronomowie zakradają się do krawędzi czarnej dziury Sagittarius A* w Drodze Mlecznej.
Rezultat ten uzyskano w kompleksie teleskopowym VLT (Very Large Telescope), który jest częścią Obserwatorium Południowoeuropejskiego w Chile. Cztery teleskopy z lustrami o średnicy 8,2 m połączone są systemem GRAVITY w jeden interferometr o bazie rzędu setek metrów. Osiągnięta rozdzielczość to 3 milisekundy, to oczywiście nie wystarcza, aby zbadać najbliższe okolice czarnej dziury. Lecz jeśli pojawi się tam pojedynczy jasny obiekt, to jego położenie można określić z dokładnością 20-70 mikrosekund kątowych. Takie obiekty są, choć niestabilne. Są to jasne błyski w wewnętrznej części dysku akrecyjnego wokół czarnej dziury.
Obecnie czarna dziura w centrum naszej galaktyki siedzi na "racjach głodowych", ale wciąż pojawia się pewien rodzaj akreacji i emitowane są błyski związane z akreacyjnym dyskiem. Dysk jest raczej optycznie cienki, czyli przezroczysta dla światła. I zwykle silnie namagnesowany, ponieważ plazma, ściągana ku czarnej dziurze z dużym gradientem prędkości, pojawiają się błyski podobne do słonecznych. One są związane z polem magnetycznym. Jednocześnie emitowane są elektrony poruszające się w polu magnetycznym - promieniowanie synchrotronowe. A im bliżej czarnej dziury, czyli im bliżej horyzontu tym jaśniejszy powinien być błysk.
Zespół eksperymentu Gravity Very Large Telescope Interferometer badała dwa jasne błyski trwające około godziny 22 i 38 czerwca 2018 r. oraz słaszy rozbłysk 22 maja.
Przesunięcie źródła o 120 kątowych mikrosekund zostało wykryte w czasie rzędu pół godziny. Odpowiada to ruchowi z prędkością 30% prędkości światła - po raz pierwszy zaobserwowano podobny ruch orbitalny.
ESO’s exquisitely sensitive GRAVITY instrument has added further evidence to the long-standing assumption that a supermassive black hole lurks in the centre of the Milky Way. New observations show clumps of gas swirling around at about 30% of the speed of light on a circular orbit just outside its event horizon — the first time material has been observed orbiting close to the point of no return, and the most detailed observations yet of material orbiting this close to a black hole.
Dostrzeżono obiekt poruszający się bardzo blisko maksymalnej stabilnej orbity blisko horyzontu zdarzeń. Parametr rotacji czarnej dziury nie mógł zostać określony z wyników.
Jak wiarygodny jest rezultat badań?
Trudno jest oszacować statystyczne znaczenie efektu. Bezwzględne stuprocentowej pewności wyników nie osiągnięto, ale od wynik wygląda na tyle znaczący, że zatwierdzono go do publikacji. Ni pomiary są powtarzalne - błyski będą się powtarzac od czasu do czasu - narzędzie działa.
Wydaje się, że astrofizycy dotarli do granicznej stacjonarnej orbity.
Następnym krokiem zapewne będzie cień czarnej dziury?
