Przejdź do głównej zawartości

Po czym poznaje się czarną dziurę?

 Czarna dziura jest właściwie czystym bytem matematycznym: konfiguracją pola grawitacyjnego bez domieszki materii – cząstki bowiem, które wpadają pod horyzont zdarzeń nieuchronnie napotykają osobliwość i zanim ją osiągną, tracą tożsamość. Konfiguracją pola grawitacyjnego, czyli właściwie konfiguracją czasoprzestrzeni, tworem czysto geometrycznym. Czarną dziurę charakteryzują masa, moment pędu (ilość ruchu obrotowego) i ładunek: trzy wielkości zamiast niezliczonej listy inwentarzowej tego, co do dziury wpadło, z jaką prędkością, z której strony itp.. Tak głosi twierdzenie „o braku włosów‟ (no-hair theorem), udowodnione przez Wernera Israela, Stephena Hawkinga i in. na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych, mniej więcej w epoce Led Zeppelin, Deep Purple i The Rolling Stones. 

Osobliwość ukryta jest za horyzontem zdarzeń. Wpadające do osobliwości cząstki przekazują dziurze swoją masę i moment pędu (sumaryczny ładunek materii bliski jest zera, więc i ładunek czarnej dziury powinien być bliski zera). Występujące we wszechświecie czarne dziury powinny na ogół się obracać, będziemy tu jednak dla uproszczenia mówić o prostszym przypadku nieobracającej się czarnej dziury. Charakteryzuje ją tylko masa i proporcjonalny do niej tzw. promień Schwarzschilda. Dla Słońca to 3 km. Dla czarnej dziury w centrum Galaktyki, której masa jest cztery miliony razy większa, ów promień też jest cztery miliony razy większy, co oznacza trzynaście promieni Słońca – wciąż bardzo mało w skali astrofizycznej. Gdyby planety krążyły wokół takiej czarnej dziury zamiast Słońca, byłyby daleko za horyzontem zdarzeń. Nie groziłoby im natychmiastowe połknięcie, chyba że z jakiegoś powodu zaczęłyby się poruszać w kierunku dziury. 


Na obrazku widzimy przykładową orbitę z apocentrum równym dziesięciu promieni Schwarzschilda. Ponieważ ruch zachodzi relatywnie blisko horyzontu zdarzeń (czarne kółko na obrazku), więc widać, że tor ciała jest obracającą się elipsą. Gdyby pole grawitacyjne było Newtonowskie, tor byłby idealną elipsą. W Układzie Słonecznym efekt tego rodzaju daje się nawet w przypadku Merkurego, planety najbliższej Słońca, jest skrajnie mały: 43 sekundy kątowe na stulecie (nie ma tu znaczenia, że Słońce nie jest czarną dziurą, gdyż każdy kulistosymetryczny rozkład masy przyciąga tak samo obiekty na zewnątrz).

Połowę Nagrody Nobla z fizyki za rok 2020 przyznano dwojgu astronomów: Reinhardowi Genzelowi i Andrei Ghez za obserwacje potwierdzające istnienie czarnej dziury w centrum Galaktyki (dużą literą piszemy nazwę naszej galaktyki). Co zaobserwowali laureaci, a właściwie kierowane przez nich zespoły? Otóż przez długie lata, mniej więcej ćwierć wieku, obserwowali oni niezależnie od siebie ruch gwiazd w bezpośredniej bliskości centrum Galaktyki. 



Odległości obserwowanych gwiazd od dziury są wciąż całkiem duże w porównaniu z promieniem Schwarzschilda, toteż orbity są w dobrym przybliżeniu Newtonowskimi elipsami. Znając okresy obiegu i rozmiary orbit można obliczyć masę czarnej dziury. W przypadku orbity gwiazdy S2, która zbliżyła się do czarnej dziury na około 1400 promieni Schwarzschilda w roku 2018, udało się wykryć niewielkie relatywistyczne obracanie się orbity.

Praca zespołów Genzena i Ghez to walka o uzyskanie jak największej zdolności rozdzielczej, wszystko rozgrywa się tu w obszarze kilku dziesiątych sekundy kątowej. Obraz punktowej gwiazdy w teleskopie jest plamką o promieniu (w radianach) równym mniej więcej ilorazowi długości fali i średnicy zwierciadła. Oznacza to, że każdy z używanych przez Ghez dziesięciometrowych teleskopów Kecka na kraterze wygasłego wulkanu Mauna Kea ma teoretyczną zdolność rozdzielczą 0,05 sekundy kątowej (obserwacje te prowiadzi się w podczerwieni o długości fali 2,2 𝛍𝙢, gdyż światło widzialne o krótszych falach jest silnie pochłaniane przez obłoki pyłu po drodze – czerwona barwa zachodów słońca ma zbliżoną przyczynę, światło innych barw jest bowiem silnie rozpraszane przez grubą warstwę atmosfery). Teoretyczna granica jest jednak bardzo trudna do osiągnięcia, gdyż powietrze atmosferyczne wciąż się porusza i obraz gwiazdy „pływa‟ w skali sekundy kątowej, nawet wysoko w górach jest to np. 0,4 sekundy – a więc wystarczająco dużo, żeby obrazek u góry był niemożliwy do stworzenia. Początkową techniką stosowaną przez astronomów była interferometria plamkowa, tzn. wykonywanie np. 10 000 fotografii z ekspozycją 0,1 s. Każdy z obrazów był ostry, ale za słabo naświetlony. Można je jednak komputerowo ponakładać na siebie, uzyskując wyostrzoną fotografię. Z czasem wprowadzono optykę adaptatywną, w której laser wytwarza w atmosferze sztuczną gwiazdę. Jej obserwacja pozwala korygować ustawienie elementów optycznych tak, aby w czasie rzeczywistym poruszać się za ruchem atmosfery, turbulencje atmosferyczne są bowiem stosunkowo powolne.


Laser celujący w centrum Galaktyki w obserwatorium ESO, źródło: Y. Beletsky/ESO

Oprócz działania na granicy możliwości technicznych co do rozdzielczości, praca ta wymagała długich lat, gdyż okresy obiegu gwiazd wokół czarnej dziury wynoszą kilkanaście lat albo dłużej. Genzen i Ghez zostali więc nagrodzeni za pracę znacznej części życia. Warto przy okazji zauważyć, że Andrea Ghez jest dopiero czwartą laureatką Nobla z fizyki.

Czy można zobaczyć coś więcej niż tory ciał krążących wokół czarnej dziury? Pośrednio obserwuje się od dawna takie otoczenia czarnych dziur w postaci silnego promieniowania radiowego, rentgenowskiego, gamma pochodzącego z tych obszarów. Stabilne orbity wokół czarnej dziury możliwe są tylko dla promieni większych niż trzy promienie Schwarzschilda. Każde ciało o masie niezerowej, a więc np. gwiazda czy obłok atomów może krążyć jedynie w większych odległościach. Pole grawitacyjne jest tam już silne i część cząstek wpada do czarnej dziury, podczas gdy inne są wyrzucane na zewnątrz. W ten sposób czarna dziura może stać się źródłem energii o rząd wielkości bardziej efektywnym niż synteza jądrowa w gwiazdach. Wokół czarnych dziur materia wiruje w tzw. dyskach akrecyjnych, szczegóły tego, co się tam dzieje są skomplikowane i nie do końca poznane.

Jak jednak wygląda sama czarna dziura? Oczywiście bezpośrednio zza horyzontu zdarzeń nie mogą do nas dolecieć żadne cząstki ani światło. Światło także bardzo się zakrzywia, poruszając się po różnych dziwacznie zapętlonych torach.


Na obrazku widzimy, jak światło, zanim wpadnie do dziury, zatacza w przybliżeniu łuk o promieniu 1,5 promienia Schwarzschilda. Można udowodnić, że przy takiej wartości promienia światło będzie okrążać czarną dziurę. Orbita taka jest jednak niestabilna i przy niewielkiej zmianie parametrów światło albo ucieknie, albo wpadnie do dziury. Można się więc spodziewać, że powinniśmy widzieć coś w rodzaju pierścienia świetlnego otaczającego czarną dziurę. Sam obraz powstaje wtedy w sposób skomplikowany, gdyż z tego samego kierunku mogą do nas docierać promienie biegnące po rozmaitych torach. To, co będziemy widzieć, to mniej więcej owa sfera fotonowa, nieco powiększona (jakościowo widać owe powiększenie na obrazku, gdy wyobrazimy sobie foton biegnący od dziury do obserwatora). Nadal jest to bardzo mały obszar o promieniu mniej więcej 2,6 promienia Schwarzschilda. Czy można zobaczyć coś tak małego, skoro największe teleskopy ledwie rozdzielają gwiazdy krążące wokół dziury? Okazuje się, że można ów „cień” czarnej dziury zobaczyć. Dokonał tego zespół projektu zwanego Teleskopem Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope).




Obrazek ten rzeczywiście ukazuje obszar wokół czarnej dziury w centrum galaktyki M87.  Promień pierścienia to zaledwie 21 mikrosekund kątowych, promień Schwarzschilda jest równy 7,6 mikrosekund kątowych. Rzeczywiście jest to obraz bezpośredniego sąsiedztwa czarnej dziury.

Obraz wygenerowany jest z obserwacji radiowych przy długości fali 1,3 mm, a więc znacznie większej niż promieniowanie podczerwone używane przez Genzena i Ghez. Tę ogromną zdolność rozdzielczą uzyskać można tylko wtedy, gdy radioteleskopy są od siebie o wiele tysięcy kilometrów. W tym celu wykorzystano sieć radioteleskopów rozrzuconych w różnych miejscach Ziemi, uzyskując zdolność rozdzielczą 25 mikrosekund kątowych. Ten prosty obrazek jest wynikiem pracy ogromnego zespołu naukowców. Cały zespół otrzymał w roku 2020 Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Nagroda wartości 3 milionów dolarów została równo rozdzielona wśród 347 naukowców podpisanych pod przełomowymi publikacjami. Bez wątpienia jest to bardziej sprawiedliwy podział w czasach, gdy osiągnięcia obserwacyjne czy doświadczalne bywają efektem pracy setek czy tysięcy ludzi, nie tylko zresztą naukowców. Więcej o tym projekcie można znaleźć tutaj.

Do wygenerowania torów cząstek i światła wokół czarnej dziury użyłem programu GRorbits.

Komentarze

Popularne posty z tego bloga

Grigorij Perelman, matematyk ze świata równoległego

  Perelman stał się sławny, gdy udowodnił hipotezę Poincarégo, rozstrzygając w ten sposób jeden z najtrudniejszych problemów matematyki. Wprawił następnie w zdumienie media całego świata, nie tylko odmawiając medalu Fieldsa, matematycznego Nobla, ale także nie przyjmując wartej milion dolarów Nagrody Milenijnej za hipotezę Poincarégo. W świecie skoncentrowanym na pogoni za pieniędzmi, gdzie zawsze znajdą się ludzie gotowi zrobić dosłownie wszystko za znacznie mniejsze pieniądze, taki gest wydaje się kompletnie niezrozumiały, podważa sens istnienia tych wszystkich spoconych mężczyzn i kobiet rozmyślających nocami, jak by tu zarobić pierwszy milion. Tym bardziej, że nie chodzi o jakiegoś zamożnego profesora, który prowadzi życie spokojne i wolne od codziennych trosk, lecz o outsidera, żyjącego w petersburskim blokowisku, który sam zrezygnował z wszelkich kontaktów ze światem naukowym, dokonał rzec można intelektualnego samobójstwa, rezygnując ze wszystkich dobrodziejstw ziemskiego raju d

Albert Einstein: Czy Europa okazała się sukcesem? (1934)

 Żyjemy w dziwnych czasach. Być może przyszły historyk Polski napisze: „W latach 2015-2025 Polska stała się jednym z państw buforowych między Rosją a Europą, politycznie zależnym od Rosji przy pozorach niezawisłości i antyrosyjskiej retoryce mediów rządowych. Praktyka rządzenia zbliżyła kraj do innych państw buforowych: Ukrainy, Mołdawii, Białorusi”. Albert Einstein miał dystans do własnej osoby, z pewnością nie był jednak „dużym dzieckiem” ani w nauce, ani w polityce. W roku 1934 redakcja amerykańskiego pisma „The Nation” zwróciła się do niego z prośbą o wypowiedź na temat Europy. Uczony czuł się europejczykiem właściwie od początku, od czasów gimnazjalnych w Monachium. Już wtedy przeszkadzał mu niemiecki nacjonalizm, choć była to jego stosunkowo łagodna wersja z czasów Drugiej Rzeszy. Mieszkał we Włoszech, w Szwajcarii, w Austro-Węgrzech, potem znowu w Niemczech. Jeździł stale do Austrii, do Francji, do Belgii, do Holandii. Zawsze opowiadał się za tym, co stanowi najważniejszy wkład