Astronomowie opublikowali dziś pierwszy obraz czarnej dziury, uzyskany w ramach obserwacji z pomocą Teleskopu Horyzontu Zdarzeń (Event Horizon Telescope - EHT), sieci ośmiu radioteleskopów rozmieszczonych dookoła świata. Obserwacje, które pozwoliły na otrzymanie tego obrazu przeprowadzono dwa lata temu. Ich wyniki opublikowano dziś w kilku artykułach na łamach czasopisma "The Astrophysical Journal Letters". Ze względu na fakt, że czarna dziura nie emituje żadnego światła, nie ma możliwości zobaczenia jej i sfotografowania bezpośrednio. Dlatego astronomowie pokazują jej cień.

Jak informuje jedna z zaangażowanych w badania instytucji, Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO), obraz pokazuje czarną dziurę w centrum masywnej galaktyki Messier 87 w gwiazdozbiorze Panny. Obiekt znajduje się w odległości 55 milionów lat świetlnych od Ziemi, jego masa jest 6,5 miliarda razy większa niż masa Słońca. Widoczny na obrazie cień czarnej dziury to najbliższy obszar, jaki jesteśmy w stanie zaobserować, 2,5 raza większy, niż rzeczywisty horyzont zdarzeń, rejon spoza którego nie jest w stanie uciec nawet światło. Sam horyzont zdarzeń ma średnicę sięgającą 40 miliardom kilometrów, ale z tej odległości pozostaje niezmiernie mały. Na niebie widocznym z Ziemi pierścień ma zaledwie 40 mikrosekund łuku średnicy. Autorzy pracy porównują to z obrazem karty kredytowej, leżącej na powierzchni Księżyca.

Uzyskanie takiego obrazu było możliwe dzięki projektowi EHT (Teleskop Horyzontu Zdarzeń) - wykorzystującemu sieć radioteleskopów i synchronizującego je w wyjątkowo precyzyjny sposób. To umożliwiło stworzenie wirtualnego teleskopu o rozmiarach Ziemi, który mógł zapewnić odpowiednią rozdzielczość. Astronomowie nie ukrywają, że umieszczenie radioteleskopu na orbicie Ziemi mogłoby te możliwości jeszcze zwiększyć. EHT było wielkim wyzwaniem, wymagało modernizacji i połączenia obiektów zbudowanych wcześniej w różnorodnych miejscach, na Hawajach, w Arizonie, w Meksyku, w górach Sierra Nevada w Hiszpanii, na chilijskiej pustyni Atakama oraz na Antarktydzie. W eksperymentach nuczestniczyły teleskopy ALMA, APEX, IRAM, James Clerk Maxwell Telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimeter Array, Submillimeter Telescope i South Pole Telescope. 

Jak informuje ESO, obserwacje EHT opierają się na technice tak zwanej interferometrii wielkobazowej (VLBI), która synchronizuje teleskopy na całym świecie i wykorzystuje rotację naszej planety do utworzenia gigantycznego teleskopu, obserwującego na długości fali 1,33 mm. To technika VLBI pozwala EHT na osiągnięcie kątowej zdolności rozdzielczej 20 mikrosekund łuku - wystarczającej by z Paryża czytać gazetę znajdująca się w Nowym Jorku. Mimo iż teleskopy nie są fizycznie połączone, są w stanie synchronizować zebrane dane przy pomocy zegarów atomowych - maserów wodorowych - które precyzyjnie wskazują czas obserwacji. W czasie kampanii obserwacyjnej w 2017 roku każdy z teleskopów EHT zbierał niezmiernie duże ilości danych – prawie 350 terabajtów dziennie. Opracowywano je z pomocą superkomputerów w Max Planck Institute for Radio Astronomy oraz MIT Haystack Observatory.

Czarne dziury to niezwykłe kosmiczne obiekty o ogromnych masach, których istnienie bardzo silnie wpływa na ich otoczenie, zakrzywiając czasoprzestrzeń i mocno rozgrzewając wirującą wokół nich i ściąganą w ich stronę materię. Zjawiska fizyczne, które im towarzyszą opisał sto lat temu w swojej teorii względności Albert Einstein. Do tej pory nie było jednak możliwości weryfikacji jego przypuszczeń. Czarne dziury mogliśmy sobie tylko wyobrażać. Ogłoszone dziś wyniki pokazują to, co wydawało się do tej pory niemożliwe do zobaczenia. Trzeba było wymyślić, na co patrzeć.

Spodziewaliśmy się, że w jasnym obszarze, takim jak dysk świecącego gazu, czarna dziura utworzy ciemny region podobny do cienia - coś przewidzianego przez ogólną teorie względności Einsteina, czego do tej pory nigdy nie widzieliśmy - wyjaśnia Heino Falcke z Radboud University w Holandii, przewodniczący rady naukowej EHT. Taki cień, związany z efektem zakrzywienia grawitacyjnego i pochłanianiem światła przez horyzont zdarzeń pozwala nam badać naturę tych fascynujących obiektów. W tym przypadku pozwolił nam zmierzyć potężną masę czarnej dziury M87 - dodaje. Struktura pierścienia z centralnym, czarnym obszarem, cieniem czarnej dziury, powtarzała się w wynikach wielokrotnych, niezależnych obserwacji EHT.

Kiedy mieliśmy już pewność, że obserwujemy cień, mogliśmy porównać wyniki pomiarów z zaawansowanymi modelami komputerowymi, uwzględniającymi efekty zakrzywienia przestrzeni, rozgrzania materii i silnych pól magnetycznych. Wiele obserwowanych cech obrazu zaskakująco dobrze zgodziło się z przewidywaniami tych modeli - dodaje Paul T.P. Ho z kierownictwa EHT, szef East Asian Observatory. "To daje nam pewność co do interpretacji naszych obserwacji, w tym oceny masy czarnej dziury M87". Konfrontacja teorii w wynikami obserwacji to dla teoretyka zawsze dramatyczny moment. Fakt, że obserwacje tak dobrze zgodziły się z przewidywaniami przyjęliśmy z ulgą i wielką satysfakcją - dodaje Luciano Rezzolla z Goethe Universität w Niemczech. 

Na podstawie materiałów prasowych ESO.