Astronomowie wykonali pierwsze zdjęcie czarnej dziury

Teleskop Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope, EHT) – sieć ośmiu naziemnych radioteleskopów stworzona w międzynarodowej współpracy – został zaprojektowany specjalnie do wykonania zdjęć czarnej dziury. Dzisiaj, w trakcie skoordynowanych konferencji prasowych odbywających się jednocześnie na całym świecie, naukowcy z EHT poinformowali, że w końcu osiągnęli cel i przedstawili pierwszy dowód supermasywnej czarnej dziury oraz zdjęcie jej cienia.

Wyniki tych przełomowych obserwacji przedstawiono dzisiaj w serii sześciu artykułów naukowych opublikowanych w specjalnym wydaniu periodyku Astrophysical Journal Letters. Zdjęcie przedstawia czarną dziurę w centrum Messier 87, masywnej galaktyki znajdującej się w pobliskiej gromadzie galaktyk w Pannie. Owa czarna dziura znajduje się 55 milionów lat świetlnych od Ziemi i ma masę około 6,5 miliardów mas Słońca.

W ramach EHT połączono teleskopy na całej Ziemi tworząc w tym samym wirtualny teleskop o rozmiarach Ziemi. EHT pozwala naukowcom badać najbardziej ekstremalne obiekty we Wszechświecie przewidywane przez ogólną teorię względności Einsteina w stulecie wykonania historycznego eksperymentu, który jako pierwszy potwierdził teorię.

“Wykonaliśmy pierwsze zdjęcie czarnej dziury” powiedział Sheperd S. Doeleman, dyrektor projektu EHT z Centrum Astrofizyki na Harvardzie. “To niesamowity wyczyn naukowy, który jest efektem pracy ponad 200 badaczy”.

Czarne dziury to niezwykłe kosmiczne obiekty o ogromnych masach, ale niezwykle kompaktowych rozmiarach. Obecność tych obiektów wpływa na ich środowisko w ekstremalny sposób, odkształcając czasoprzestrzeń i rozgrzewając otaczającą je materię.

„Kiedy znajdą się w jasnym obszarze, na przykład w dysku świecącego gazu, spodziewamy się, że czarna dziura stworzy ciemny obszar podobny do cienia – coś przewidzianego przez ogólną teorię względności Einsteina, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy” – wyjaśnił przewodniczący Rady Naukowej EHT Heino Falcke z Uniwersytetu Radboud w Holandii. „Ten cień, spowodowany grawitacyjnym zaginaniem i przechwytywaniem światła przez horyzont zdarzeń, mówi nam wiele o naturze tych fascynujących obiektów i pozwolił nam zmierzyć ogromną masę czarnej dziury w sercu M87”.Wiele metod kalibracji i obrazowania ujawniło strukturę podobną do pierścienia z ciemnym centralnym obszarem – cieniem czarnej dziury – który obserwowany był w trakcie wielu niezależnych obserwacji za pomocą EHT.

„Gdy już byliśmy pewni, że zobrazowaliśmy cień, mogliśmy porównać nasze obserwacje do obszernych modeli komputerowych, które uwzględniają fizykę odkształconej przestrzeni, rozgrzanej materii i silne pola magnetyczne. Wiele cech obserwowanego obrazu pasuje do naszego teoretycznego zrozumienia zaskakująco dobrze”, zauważa Paul T.P. Ho, członek zarządu EHT i dyrektor obserwatorium wschodnioazjatyckiego. „To sprawia, że ​​jesteśmy pewni interpretacji naszych obserwacji, w tym naszej oceny masy czarnej dziury”.

„Konfrontacja teorii z obserwacjami jest zawsze dramatycznym momentem dla teoretyka. Z ulgą i dumą uświadomiłem sobie, że obserwacje bardzo dobrze pasują do ​​naszych przewidywań” – mówi członek zarządu EHT Luciano Rezzolla z Goethe Universität w Niemczech.

Stworzenie EHT było ogromnym wyzwaniem, które wymagało modernizacji i połączenia w sieć ośmiu istniejących teleskopów rozmieszczonych w różnych trudno dostępnych miejscach na dużych wysokościach. Lokalizacje te obejmowały wulkany na Hawajach i w Meksyku, góry w Arizonie i hiszpańskie Sierra Nevada, chilijską pustynię Atacama i Antarktydę.

Obserwacje EHT wykorzystują technikę zwaną interferometrią o bardzo długiej linii bazowej (VLBI), która synchronizuje pracę teleskopów na całym świecie i wykorzystuje rotację naszej planety, tworząc jeden ogromny teleskop rozmiarów Ziemi, obserwujący na długości fali 1,3 mm. VLBI umożliwia EHT osiągnięcie rozdzielczości kątowej 20 mikrosekund – wystarczającej do przeczytania gazety w Nowym Jorku z kawiarni w Paryżu.

Teleskopy, które przyczyniły się do tego osiągnięcia to ALMA, APEX, 30-metrowy teleskop IRAM, teleskop Jamesa Clerka Maxwella, duży teleskop milimetrowy Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope i Teleskop Bieguna Południowego. Petabajty surowych danych z teleskopów zostały połączone przez wysoce wyspecjalizowane superkomputery obsługiwane przez Instytut Astronomii Radiowej Maxa Plancka i MIT Haystack Observatory.

Europejskie obiekty i fundusze odegrały kluczową rolę w tych ogólnoświatowych wysiłkach, z udziałem zaawansowanych teleskopów europejskich i wsparcia Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych – w szczególności dotacji w wysokości 14 mln EUR na projekt BlackHoleCam. Kluczowe było również wsparcie ze strony ESO, IRAM i Towarzystwa Maxa Plancka. „To osiągnięcie opiera się na dziesięcioleciach europejskiej wiedzy na temat astronomii milimetrowej”, skomentował Karl Schuster, dyrektor IRAM i członek zarządu EHT.

Budowa EHT i ogłoszone dziś wyniki obserwacji stanowią kulminację dziesięcioleci pracy obserwacyjnej, technicznej i teoretycznej. Ten przykład globalnej pracy zespołowej wymagał ścisłej współpracy naukowców z całego świata. Trzynaście instytucji partnerskich współpracowało przy tworzeniu EHT, wykorzystując zarówno istniejącą infrastrukturę, jak i wsparcie różnych agencji. Kluczowe fundusze zostały zapewnione przez amerykańską National Science Foundation (NSF), Europejską Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) oraz agencje finansujące w Azji Wschodniej.

„ESO jest zachwycone, że w znacznym stopniu przyczyniło się do tego osiągnięcia dzięki europejskiemu przywództwu i kluczowej roli w dwóch teleskopach EHT, zlokalizowanych w Chile – ALMA i APEX” – powiedział dyrektor generalny ESO Xavier Barcons. „ALMA jest najbardziej wrażliwym urządzeniem w EHT, a jego 66 precyzyjnych anten miało kluczowe znaczenie dla powodzenia projektu EHT”.

„Osiągnęliśmy coś, co przypuszczalnie było niemożliwe jeszcze pokolenie temu” – podsumował Doeleman. „Przełomy w technologii, związki między najlepszymi obserwatoriami radiowymi na świecie i innowacyjne algorytmami – wszystko to razem otworzyło zupełnie nowe okno na czarne dziury i horyzont zdarzeń”.

Źródło: ESO

Warto zauważyć, że faktyczna krawędź (horyzont zdarzeń) jest 2.5 razy mniejszy od samego cienia (grafika poniżej) i jego średnica to ok. 40 miliardów kilometrów czyli zaledwie 4,4 razy więcej niż średnica orbity Neptuna!