În centrul unei galaxii numite Messier 87, aflată la aproximativ 55 de milioane de ani-lumină, despre care toată materia orbitelor galaxiei se află un monstru: o gaură neagră supermasivă. Cu aproximativ 6, 5 miliarde de ori mai mare decât soarele, gaura neagră din centrul M87 este atât de densă încât viteza de evacuare sau viteza necesară pentru a scăpa de gravitația obiectului este mai mult decât viteza luminii. În consecință, nici măcar fotoni de lumină nu pot scăpa odată ce se rătăcesc prea aproape.
Dar nu lăsa să te păcălească numele „gaură neagră”. „În felul unui paradox al naturii, găurile negre, care nu permit luminii să scape, sunt unele dintre cele mai strălucitoare obiecte din univers”, spune Shep Doeleman, un coleg de cercetare senior al Centrului pentru Astrofizică Harvard-Smithsonian și directorul a proiectului Event Horizon Telescope (EHT), un efort internațional de a imagina direct o gaură neagră supermasivă cu telescoape din întreaga lume.
Astăzi, proiectul EHT, care cuprinde opt observatorii și peste 60 de instituții științifice din peste 20 de țări, a lansat prima imagine a unei găuri negre. „Este prima dată când am văzut această imagine chiar acum”, spune France Córdova, directorul Fundației Naționale a Științei (NSF), în cadrul unei conferințe de presă la Clubul Național de Presă. „Și mi-a adus lacrimi în ochi. Aceasta este o afacere foarte mare. "
Șase lucrări științifice au fost publicate astăzi și în Astrophysical Journal, în care sunt detaliate primele observații directe ale unei găuri negre.
Deși lumina nu poate scăpa de la sine o gaură neagră, un fel de graniță înconjoară fiecare gaură neagră, cunoscută drept orizontul evenimentului. Orice materie care rătăcește dincolo de orizontul evenimentului este consumată de gaura neagră, dar pe măsură ce gazele se acumulează chiar în afara orizontului evenimentului, acestea sunt încălzite la sute de miliarde de grade, emitând o cantitate enormă de radiații pe toată galaxia. Orizontul evenimentului în jurul găurii negre M87 este de aproximativ 1, 5 zile-lumină, sau aproximativ 40 de miliarde de kilometri, aproximativ aceeași dimensiune ca sistemul nostru solar.
„Ceea ce vă așteptați dacă vedeți o gaură neagră supermasivă în centrul unei galaxii și credem că acestea există în centrele majorității galaxiilor, este că gravitația intensă atrage gazul din apropiere spre gaura neagră și se încălzește sus ”, spune Doeleman. „Încerci să comprimezi mult gaz în cel mai mic volum pe care ți-l poți imagina ... și tot ceea ce emite gaz foarte cald [lumină]”.
După mai mulți ani de planificare de peste 200 de oameni de știință internaționali, datele presupuse să arate prima imagine vreodată a unei găuri negre sunt gata. Echipa adună pentru marea dezvăluire - este un moment seismic în astrofizică.Observațiile găurii negre din centrul M87 dezvăluie că se rotește în sensul acelor de ceasornic. În partea de jos a imaginii, unde inelul de lumină este mai luminos, rotația găurii negre se deplasează spre noi, în timp ce partea inelului din partea de sus a imaginii se îndepărtează.
Făcând o imagine cu gazul arzător care înconjoară orizontul evenimentului unei găuri negre, pe care astronomii îl numesc „umbra” găurii negre sau „silueta” acesteia, nu a dovedit o sarcină ușoară. Gaura neagră M87 este în centrul galaxiei, vălată în spatele stelelor strălucitoare și a unor mari mări de gaz și praf. Pentru a prinde fotonii de lumină care reușesc să scape de puterea gravitațională a găurii negre supermasive, atrasă spre orizontul evenimentului, înainte de a zbura 55 de milioane de ani lumină prin M87 și de-a lungul spațiului intergalactic de Pământ, astronomii au legat unele dintre cele mai puternice radiouri telescoape construite vreodată pentru a construi, într-un anumit sens, un telescop de dimensiunea Pământului.
„Există un câmp special numit Interferometrie de bază foarte lungă, în care faceți legătura între mâncărurile radio din întreaga lume și obțineți măriri extrem de mari”, spune Doeleman. Observatoarele de astronomie radio, de la telescopul polului sud până la telescopul Groenlandei, au contribuit sau vor contribui la observații la EHT. „Cu tehnica VLBI, unde faceți întregul Pământ un telescop, trebuie să conectați vasele de pe ambele părți ale Pământului împreună folosind o rețea de ceasuri atomice și asta facem.”
Event Horizon Telescope a colectat datele pentru prima imagine a găurii negre în 2017. Folosind ceasuri atomice pentru a alinia observațiile la timp și supercomputerele pentru a compila petabytes de date, oamenii de știință pot realiza în mod eficient rezoluția unui telescop de dimensiuni Pământ - dar nu capacitatea de colectare a luminii, de aceea tehnica poate fi folosită doar pentru a observa obiecte foarte luminoase. VLBI poate colecta unde radio numai pe suprafețele vaselor, care se rotește constant cu Pământul, urmărind centrul M87.
Arcul de mare milimetru / submillimetru Atacama (ALMA), situat în nordul Chile, cu Calea Lactee vizibilăOESO / Y. Beletsky pe cer. ALMA este cel mai puternic observator radio din rețeaua de telescoape Event Horizon. (ESO / Y. Beletsky) „Vă puteți gândi la aceste telescoape ca niște bucăți de argint pe o oglindă de pe Pământ și, pe măsură ce se deplasează, depistează șuvițe de reflectivitate, astfel încât veți încheia țesut împreună, sau învârtind, un telescop de pământ - aproape construind un web cum face un păianjen ”, spune Doeleman.
Telescoapele colectează unde radio cu frecvență extrem de ridicată (EHF), lumină aproape infraroșie în spectrul electromagnetic, cu o lungime de undă de 1, 3 milimetri. Frecvența este „doar perfectă” pentru a face călătoria expansivă de la marginile unei găuri negre până la mâncărurile noastre radio, spune Doeleman. Observatoarele se orientează în general spre M87 noaptea și în lunile martie și aprilie, când vaporii de apă atmosferici sunt la nivelul cel mai scăzut.
Telescopul Orizontului evenimentului a observat și Sagetatorul A *, gaura neagră supermasivă din centrul propriei noastre galaxii, Calea Lactee. Săgetătorul A * (pronunțat „Steaua Săgetător A”) este o gaură neagră supermassivă mult mai activă decât cea din centrul M87. Situat la aproximativ 26.000 de ani-lumină distanță, Săgetătorul A * este suficient de mic încât apare la aceeași dimensiune pe cer ca și mult mai departe M87.
Mulți oameni de știință cred că găurile negre au sens pe tărâmul fizicii teoretice, dar nu ar putea exista cu adevărat în viața reală. Captarea unei imagini a unei găuri negre ar schimba toate acestea.În afară de orizontul strălucitor al evenimentului în jurul găurii negre M87, obiectul scoate jeturi de material din poli, în afara spațiului. „Obțineți aceste jeturi de particule relativiste, pentru că, desigur, este foarte energic, care poate răsufla zeci de mii de ani-lumină”, spune Doeleman. „Ei pot merge până la capăt întreaga galaxie și este acea eliberare de energie la scară galactică care poate schimba modul în care arată o întreagă galaxie.”
Energia jeturilor care curg dintr-o gaură neagră supermasivă este determinată de câtă materie consumă gaura neagră, precum și de rotația sa, câmpul magnetic și alte proprietăți. „Jeturile poartă echivalentul a 10 miliarde supernova în energie”, spune Sera Markoff, membru al consiliului științific EHT și profesor la Universitatea din Amsterdam, în cadrul conferinței de presă. „Aceste chiuvete bizare din materialul spațiu-timp au o mulțime de consecințe pe cont propriu”, spune Markoff. Când o gaură neagră produce cantități enorme de energie, aceasta împiedică gazele din orizontul evenimentului să formeze noi stele, stimulând creșterea galaxiilor.
În centrul unei găuri negre, conform teoriei generale a relativității lui Einstein, este un punct de singularitate în care toată materia obiectului este condensată într-un volum atât de mic încât densitatea este în esență infinită. În acest moment, se consideră că legile cunoscute ale fizicii se descompun. Totuși, mai aproape de orizontul evenimentului, oamenii de știință vor sonda forma siluetei găurii negre pentru a testa legile relativității.
„Trebuie să recunosc că am fost un pic uluit că s-a potrivit atât de îndeaproape cu predicțiile pe care le-am făcut”, spune Avery Broderick, astrofizician cu EHT și profesor asociat la Universitatea din Waterloo, în conferința de presă. "Este îmbucurător, dar și un pic supărator."
Forma luminii din jurul găurii negre, cunoscută sub denumirea de inelul fotonului unde lumina orbitează centrul, servește ca testul cel mai intens al teoriilor despre Einstein despre gravitate.
„Unul dintre motivele pentru care vezi că inelul de lumină este acela că este orbita la care fotonii sunt constrânși să se miște într-un cerc în jurul găurii negre”, spune Doeleman. „Este într-adevăr extraordinar - iei un obiect ca un foton care călătorește cât de repede poate merge în univers, cel mai rapid te poți mișca și atunci îți dai seama că există un obiect numit gaură neagră care va face ca raza de lumină să se îndoaie în un cerc complet. Și asta este esențial ceea ce vezi. ... Și dacă parcurgeți ecuațiile lui Einstein, aceasta este o orbită foarte specială. "
Văzând inelul în jurul unei găuri negre, umbra sa siluetată împotriva cosmosului, a confirmat că fizica teoretică pusă în urmă cu mai bine de 100 de ani rămâne adevărată „într-unul dintre cele mai extreme laboratoare pe care universul ni le oferă”.
„Cred că vorbește spiritului uman, sincer, că putem să-l eliminăm”, spune Doeleman.
Black Hole Hunters are premiera vineri, 12 aprilie, la 21:00, pe Smithsonian Channel.
