Jak zmierzyć promień czarnej dziury ?

Obraz stworzony dzięki symulacjom komputerowym. Pokazuje on, jak bardzo silna grawitacja w M87 zakrzywia powstającą tu strukturę dżetu w pobliżu horyzontu zdarzeń. Część promieniowania tego dżetu zagina się w rodzaj pierścienia nazywanego "cieniem" czarnej dziury. (Źródło: Avery E. Broderick (Perimeter Institute & University of Waterloo))
Punkt bez powrotu. To w astrofizyce właśnie czarna dziura - obszar czasoprzestrzeni, w którym przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że nic, łącznie ze światłem, nie jest w stanie z niego uciec raz złapane w tę kosmiczną pułapkę. Mogą istnieć także tak zwane supermasywne czarne dziury o masach rzędu miliardów mas Słońca. Rezydują one w centrach większości dużych galaktyk.Są one wówczas na tyle silne, że aktywność zachodząca na ich zewnętrznych granicach jest w stanie sfałdować na wskroś owe macierzyste galaktyki.  
 
Niedawno po raz pierwszy w historii dokonano pomiary promienia czarnej dziury znajdującej się w centrum jednej z odległych galaktyk. Dokładniej rzecz mówiąc, zmierzono odległość, na jaką materia może zbliżyć się do horyzontu zdarzeń czarnej dziury bezpiecznie - czyli tak, by jeszcze nie groziło jej bezpowrotne wessanie do wnętrza osobliwości.
 
Naukowcy z MIT (Obserwatorium Haystack) wykorzystali tak zwany interferometr radiowy - połączyli w jedną sieć obserwacyjną radioteleskopy z Hawajów, Arizony i Kaliforni. Powstał tym sposobem Teleskop EHT ("Event Horizon Telescope").Jest on w stanie "zobaczyć" szczegóły 2,000 razy słabsze od tych, jakie może dostrzeć Teleskop Hubble'a. Taki układ przetestowano na obiekcie M87 - galaktyce znajdującej się około 50 milionów lat świetlnych od nas, bezsprzecznie mającej w swym centrum czarną dziurę 6 miliardów razy bardziej masywną niż nasze Słońce. Przy użyciu wyżej opisanej sieci anten zespół naukowy zdołał zaobserwować poświatę materii leżącej na skraju tej czarnej dziury - w regionie znanym jako horyzont zdarzeń.  
 
Gdy jakikolwiek obiekt przekroczy tę odległość, jest już dla nas na zawsze stracony. Horyzont zdarzeń można porównać do drzwi wyjściowych z naszego Wszechświata. Można nimi wyjść, ale nie sposób już przez nie powrócić.
 
Supermasywne czarne dziury są jednymi z najbardziej egzotycznych obiektów przewidzianych przez Teorię Względności Alberta Einsteina. Zgodnie z tą Teorią grawitacja może tutaj zakrzywići ścisnąć gęstą materię na niewyobrażalnie małej przestrzeni.Na brzegu takiego obiektu siła grawitacji jest tak wielka, że ściąga w ten obszar wszystko ze swojego otoczenia. Jednakże nie wszystko może przekroczyć horyzont zdarzeń i zniknąć w czarnej dziurze. W wyniku tego powstaje z czasem "kosmiczny korek", w obrębie którego okoliczny gaz i pył zaczynają zalegać jako płaski dysk czy raczej obwarzanek wokół czarnej dziury - czyli tak zwany dysk akrecyjny. Okrąża on osobliwość grawitacyjną z prędkością bliską prędkości światła, ciągle zasilając samą czarną dziurę rozgrzaną tym sposobem na skutek tarcia materią. Z czasem jego obecność może także spowodować zmianę kierunku rotacji (spinu) czarnej dziury.
 
W rejonach biegunów magnetycznych czarnych dziur (tak, czarne dziury mają, podobnie jak ziemia, własne pola magnetyczne) linie sił pola są otwarte. Tam też pole magentyczne kieruje i zarazem przyśpiesza w tym kierunku naładowane cząstki plazmy z dysku akrecyjnego. Wypływają one ponad tymi obszarami w formie tzw. dżetów - dobrze skolimowanych, przeciwbieżnych strug plazmy. Dżety mają bardzo duże prędkości, dzięki czemu łatwo przechodzą przez ośrodek galaktyki macierzystej, a nastepnie ośrodek międzygalaktyczny. Mogą być nadal obserwowane w odległości kilkuset lub nawet kilku tysięcy lat świetlnych od czarnej dziury. Moga też wpływać na różne procesy w galaktyce - w tym na tempo formowania się gwiazd.  
 
Ruch i trajektoria dżetów na skraju czarnej dziury może pomóc naukowcom w wyjaśnieniu i zrozumieniu praw dynamiki w tych obszarach, gdzie siła grawitacji dominuje nad trzema pozostałymi oddziaływaniami w przyrodzie. To ciekawe środowisko, w którym można też testować słuszność Ogólnej Teorii Względności Einsteina, czyli Teorii Grawitacji. Jak dotychczas teoria ta była potwierdzona jedynie dla przypadków układów ze słabym polem grawitacyjnym - na Ziemi oraz w Układzie Słonecznym. Jednak nie w jedynych miejsach we Wszechświecie, gdzie mogłaby się ona załamywać lub dawać inne niż przewidywane wyniki - czyli właśnie na skraju masywnych czarnych dziur.
 
Masa i spin determinują to, jak blisko czarnej dziury może poruszać się materia, nie wpadając poza horyzont zdarzeń. W przypadku M87 dżety sa wyrzucane przez pole magnetyczne właśnie z tej ciasnej orbity, stąd też można ocenić spin (moment pędu) lokalnej czarnej dziury poprzez uważny pomiar rozmiaru strugi dżetu w momencie, gdy opuszcza on jej otoczenie. Dotychczas jednak żaden ziemski teleskop nie miał aż tak dużej zdolności rodzielczej. Teraz jednak astronomiwie mogli wykorzystać w tym celu techniką zwaną interferometrią wielkobazową (ang. Very Long Baseline Interferometry, VLBI), która łączy dane zbierane przez radioteleskopy oddalone od siebie o wiele tysięcy kilometrów. Sygnały z nich są zbierane razem przy pomocy wyrafinowanej elektorniki, tworząc tym sposobem jak gdyby wielki teleskop wirtualny o zdolności rodzielczej tak dużej jak odległość przestrzenna pomiędzy odległymi antenami. Metoda ta pozwala naukowcom na szczegółowe badania najodleglejszych radiogalaktyk.
 
W ten sposób zespół naukowy z MIT zmierzył najbardziej wewnętrzną orbitę, po jakiej krąży dysk akrecyjny M87. Jej promień to jedynie 5.5 raza tyle, co horyzont zdarzeń dla tutejszej czarnej dziury. Zgodnie z prawami fizyki ten dysk akrecyjny musi ją okrążać w tym samym kierunku, w którym ona sama wiruje wokół swej osi, co także jest cenną obserwacją z astrofizycznego punktu widzenia.
 
Naukowcy mają w planie rozbudowanie obecni używanej sieci radioteleskopów od nowe anteny, wliczając w to teleskopy z Chile, Europy, Meksyku i Grenlandii celem otrzymania jeszcze lepszej zdolności rozdzielczej, a tym samym bardziej dokładnego obrazu odległych galaktyk i czarnych dziur. Badania te być może pomogą nam zrozumieć lepiej zachowanie się dżetów w sądziedztwie horyzontu zdarzeń.

Liczba odsłon: 1572


Dżet plazmy wydostający się z radiogalaktyki M87. (Źródło: Chris Fach (Perimeter Institute & University of Waterloo))